Traducido del inglés al español - www.onlinedoctranslator.com Vea discusiones, estadísticas y perfiles de autor para esta publicación en:https://www.researchgate.net/publication/331411946 Calderas y Generación de Vapor Presentación· Febrero 2019 CITAS LEE 0 25,488 2 autores: Medhat Elkelawy Hagar Alm El Din Mohamad Universidad Tanta 142PUBLICACIONES Universidad Tanta 1,719CITAS VER EL PERFIL Algunos de los autores de esta publicación también están trabajando en estos proyectos relacionados: Ingeniería y Ciencia y PensamientoVer Proyecto Motor diésel HCCIVer Proyecto Todo el contenido que sigue a esta página fue subido porMedhat Elkelawyel 01 de marzo de 2019. El usuario ha solicitado la mejora del archivo descargado. 124PUBLICACIONES VER EL PERFIL 1,562CITAS Calderas y Vapor Generación Prof. Dr. Ing. Medhat Elkelawy Correo electrónico :[email protected] Caldera y Generación de Vapor Una caldera es un recipiente cerrado que proporciona un medio para que el calor de combustión se transfiera al agua hasta que se convierta en agua calentada o vapor. El agua caliente o el vapor a presión se pueden utilizar para transferir el calor a un proceso. El agua es un medio útil y barato para transferir calor a un proceso.Cuando el agua se hierve en vapor, su volumen aumenta unas 1.600 veces, produciendo una fuerza que es casi tan explosiva como la pólvora. Esto hace que la caldera sea un equipo extremadamente peligroso que debe ser tratado con sumo cuidado. Caldera y Generación de Vapor El proceso de calentar un líquido hasta que alcanza su estado gaseoso esllamado evaporación. El calor se transfiere de un cuerpo a otro por medio de: (1) Radiación, que es la transferencia de calor de un cuerpo caliente a un cuerpo frío sin un medio de transporte, (2) Convección, la transferencia de calor por un medio de transporte, como aire o agua y (3) Conducción, transferencia de calor por contacto físico real, molécula a molécula. El sistema de caldera consta de :agua de alimentación sistema,sistema de vaporySistema de combustible. -Elsistema de alimentación de aguaproporciona agua a la caldera y la regula automáticamente para satisfacer la demanda de vapor. -Varias válvulas brindan acceso para mantenimiento y reparación. Elsistema de vapor recogey controla el vapor producido en la caldera. -El vapor se dirige a través de unsistema de tuberíashasta el punto de uso. En todo el sistema, la presión del vapor se regula mediante válvulasycomprobado con manómetros de vapor. -ElSistema de combustibleincluye todo el equipo utilizado para proporcionar combustible para generar el calor necesario. El equipo requerido en el sistema de combustible depende deltipo de combustibleutilizado en el sistema. En la última figura se muestra un esquema típico de una sala de calderas. Sistemas de calderas El agua suministrada a la caldera que se convierte en vapor se denomina agua de alimentación. Eldos fuentes de agua de alimentaciónson: (1) Condensado o condensadovapor de retorno de los procesos y (1) agua de reposición (agua cruda tratada) que debe proceder del exterior de la sala de calderas y procesos de la planta. Para mayores eficiencias de la caldera, el economizador precalienta el agua de alimentación, utilizando el calor residual en los gases de combustión. Las calderas se pueden clasificar de la siguiente manera: 1. Según el flujo de agua y gases calientes: calderas pirotubulares (o de humo) y acuotubulares. En las calderas acuotubulares, el agua circula por un gran número de tubos y los gases calientes pasan a su alrededor. Por ejemplo, caldera bobcock y Wilcox. En las calderas pirotubulares, los gases calientes pasan a través de tubos que están rodeados de agua. Ejemplos: Calderas Verticales, Cochran, Lancashire y Locomotoras. Puede haber un solo tubo como en el caso de la caldera de Lancashire o puede haber un banco de tubos como en una caldera de locomotora. 1. La generación de vapor es mucho más rápida debido a la pequeña relación entre el contenido de agua y el contenido de vapor. Esto también ayuda a alcanzar la temperatura de cocción al vapor en poco tiempo. 2. Su capacidad de evaporación es considerablemente mayor y el rango de presión de vapor también es alto, 200 bar. 3. Las superficies de calentamiento son más efectivas ya que los gases calientes viajan en ángulo recto con respecto a la dirección del flujo de agua. 4. La eficiencia de la combustión es mayor porque es posible la combustión completa del combustible ya que el espacio de combustión es mucho más grande. 5. Las tensiones térmicas en las partes de la caldera son menores ya que las diferentes partes de la caldera permanecen a una temperatura uniforme debido a la rápida circulación del agua. 6. La caldera se puede transportar y montar fácilmente ya que sus diferentes partes se pueden separar. 7. Los daños por rotura del tubo de agua son menos graves. Por lo tanto, las calderas acuotubulares a veces se denominan calderas de seguridad. 8. Todas las partes de las calderas acuotubulares son fácilmente accesibles para su limpieza, inspección y reparación. 9. El área del horno de la caldera acuotubular se puede modificar fácilmente para cumplir con los requisitos de combustible. 1. Es menos adecuado para agua impura y sedimentaria, ya que un pequeño depósito de incrustaciones puede provocar el sobrecalentamiento y la explosión del tubo. Por lo tanto, el uso de agua de alimentación pura es esencial. 2. Requieren atención cuidadosa. Los costos de mantenimiento son más altos. 3. La falla en el suministro de agua de alimentación, incluso por un período breve, puede hacer que la caldera se sobrecaliente. 2. Según el eje de la carcasa: calderas verticales y horizontales. 3. Según ubicación o posición del horno. Calderas de fuego externo e interno. En las calderas de combustión interna, el horno forma parte integral de la estructura de la caldera. Las calderas verticales tubulares, locomotoras y escocesas marinas son ejemplos bien conocidos. Las calderas de combustión externa tienen un horno separado construido fuera de la carcasa de la caldera y, por lo general, debajo de ella. La caldera de tubo de retorno horizontal (HRT) es probablemente el ejemplo más conocido de este tipo. 4. Según la aplicación: calderas estacionarias y móviles. Una caldera estacionaria es aquella que está instalada de forma permanente en una instalación terrestre. Una caldera marina es una caldera móvil destinada a buques de pasajeros y de carga marítima con una capacidad inherente de navegación rápida. 5. Según presión de vapor – calderas de baja, media y alta presión. Calderas El tubo contiene agua disparo Tubo de agua Tubo de fuego Internamente Naturalezayo Externamente vapor Forzado Bajo Alto de Caldera Cochran Desventajas: •Bajo vapor tasa de generación. •Presión limitada capacidad de las manijas. •Es difícil de inspeccionar y mantener. CALDERA LOCOMOTORA Desventajas: •se enfrenta a la problemas de corrosión y formación de escamas. •Incapaz de trabajar bajo carga pesada condiciones porque calentamiento excesivo problemas. •algunos de sus espacio de agua son difícil de limpiar. CALDERA BABCOCK WILCOX CALDERA BABCOCK WILCOX CALDERA BABCOCK WILCOX Solicitud Las calderas Babcock y Wilcox se utilizan generalmente para producir vapor a alta presión en las industrias de generación de energía. El vapor de alta presión así generado se utiliza para producir electricidad. Ventajas 1. La capacidad de generación de vapor es alta. Se trata de 2000 a 40000 kg / h. 2. Ocupa menos espacio. 3. El reemplazo de tubos defectuosos es fácil. 4. Es la única caldera que se utiliza para generar gran cantidad de calor en centrales eléctricas. 5. La pérdida de calado es mínima. 6. La inspección de este tipo de caldera se puede realizar en cualquier momento durante su funcionamiento. CALDERA BABCOCK WILCOX Desventajas 1. Alto costo de mantenimiento. 2. No es muy adecuado para aguas impuras y sedimentarias. En caso de agua impura y sedimentaria, se pueden depositar incrustaciones en los tubos y esto provoca el sobrecalentamiento y la explosión de los tubos.Es por eso que el tratamiento del agua es obligatorio antes de alimentar la caldera.. 3. Se requiere un suministro continuo de agua de alimentación para el funcionamiento.En el caso de que no se suministre agua de alimentación de forma continua, incluso durante un breve período de tiempo, la caldera se sobrecalienta.. El nivel del agua debe vigilarse cuidadosamente durante el funcionamiento de la caldera Babcock y Wilcox. 1. Gran tasa de generación de vapor por metro cuadrado de superficie de calentamiento. Hasta cierto punto, esto se debe a la vibración causada por el movimiento. 2. Está libre de albañilería, cimentación especial y chimenea. Esto reduce el costo de instalación. 3. Es muy compacto. En todas las centrales eléctricas modernas, la alta presión calderas (> 100 bar)son universalmente ofrecen las siguientes ventajas. Con el fin de obtener una operación eficiente y alta capacidad,Se encuentra útil la circulación forzada de agua a través de los tubos de la caldera.. Algunos tipos especiales de calderas que funcionan a presiones supercríticas y el uso forzado circulaciones 1. Benson en 1922 argumentó que si la presión de la caldera se elevaba a la presión crítica (225 atm), el vapor y el agua tendrían la misma densidad. 2. El montaje de la caldera Benson es más fácil y rápido, ya que todas las piezas se sueldan en el sitio y en el taller. se evita por completo la expansión. 3. El transporte de las piezas de la caldera Benson es fácil ya que no se requieren tambores y la mayoría de las piezas se transportan al sitio sin preensamblaje. 4. La caldera Benson se puede instalar en un área de piso comparativamente más pequeña. 5. Las paredes del horno de la caldera se pueden proteger de manera más eficiente utilizando tubos de pequeño diámetro y paso cerrado. 6. El sobrecalentador de la caldera Benson es una parte integral del sistema de circulación forzada, por lo tanto, no se requiere un arreglo de arranque especial para el sobrecalentador. 7. La caldera Benson se puede poner en marcha muy rápidamente gracias a las uniones soldadas. 8. La caldera Benson se puede operar de manera más económica variando la temperatura y la presión en cargas parciales y sobrecargas. La temperatura deseada también se puede mantener constante a cualquier presión. 9. La caída repentina de la demanda crea problemas de circulación debido a la formación de burbujas en la caldera de circulación natural que nunca ocurre en la caldera Benson. Esta característica de insensibilidad a las fluctuaciones de carga lo hace más adecuado para la central eléctrica de la red, ya que tiene una mejor capacidad de adaptación para enfrentar las fluctuaciones de carga repentinas. 10. Las pérdidas por purga de la caldera Benson son apenas el 4% de las calderas de circulación natural de la misma capacidad. 11. Los peligros de explosión no son graves en absoluto, ya que se compone únicamente de tubos de pequeño diámetro y tiene muy poca capacidad de almacenamiento en comparación con la caldera de tipo tambor. 1. La principal dificultad experimentada en la caldera Benson es la deposición de sal y sedimentos en las superficies internas de los tubos de agua. 2. La dificultad se resolvió en la caldera Loeffler impidiendo el flujo de agua hacia los tubos de la caldera. La mayor parte del vapor se genera fuera del agua de alimentación utilizando parte del vapor sobrecalentado que sale de la caldera. 3. La bomba de alimentación a presión extrae el agua a través del economizador y la envía al tambor del evaporador como se muestra en la figura. Alrededor del 65 % del vapor que sale del sobrecalentador pasa a través del tambor del evaporador para evaporar el agua de alimentación que sale del economizador. Ahora, es un hecho conocido que cuando la velocidad del gas excede la velocidad del sonido, el calor se transfiere del gas a una tasa mucho más alta que las tasas alcanzadas con el flujo subsónico. Las ventajas de esta teoría se aprovechan para efectuar la gran transferencia de calor desde una superficie más pequeña en esta caldera. El aire se comprime a 2,5 bar con la ayuda de un compresor que funciona con una turbina de gas antes de suministrarlo a la cámara de combustión para obtener la velocidad supersónica de los gases que pasan a través de la cámara de combustión y los tubos de gas y altas tasas de liberación de calor (40 MW/m3). Los gases quemados en la cámara de combustión pasan a través del anillo de los tubos como se muestra en la figura. El calor se transfiere de los gases al agua mientras pasa por el espacio anular para generar el vapor. 1. Son posibles tasas de combustión muy altas como 40 MJ/ m3 de volumen de la cámara de combustión. 2. Se requiere un exceso de aire bajo ya que se usa aire presurizado y se simplifica el problema del tiro. 3. Es una unidad generadora muy compacta y tiene mayor flexibilidad. 4. Puede iniciarse rápidamente a pesar de que el separador tiene una capacidad de almacenamiento de aproximadamente el 10 % de la producción máxima por hora. La mayoría de las calderas de las centrales eléctricas alimentadas con carbón utilizan carbón pulverizado y muchas de las calderas acuotubulares industriales más grandes también utilizan este combustible pulverizado. Uno de los sistemas más populares para encender carbón pulverizado es el encendido tangencial que usa cuatro quemadores de esquina a esquina para crear una bola de fuego en el centro del horno. Las calderas de servicios públicos más grandes están diseñadas para tener quemadores en dos de las cuatro paredes y disparar hacia el centro del horno y, en algunos casos, las calderas se han diseñado con quemadores ubicados en las cuatro paredes. Combustión en lecho fluidizado Una buena caldera debe poseer las siguientes cualidades: 1.La caldera debe sercapaz de generar vapora la presión y cantidad requeridas lo más rápido posiblecon el mínimo consumo de combustible. 2.Elcosto inicial, el costo de instalación y el costo de mantenimiento deben ser lo más bajos posible. 3.La caldera debe serde peso ligero, y debe ocuparárea de piso pequeña. 4. la caldera debe poder satisfacer las demandas fluctuantes sin fluctuaciones de presión. 5.Todas las partes de la caldera deben ser fácilmente accesibles para su limpieza e inspección. 6.La caldera debe tener un mínimo de juntas paraevitar fugasque puede ocurrir debido a la expansión y contracción. 7. La caldera debe cumplir las normas de seguridad establecidas en la Ley de Calderas. 8.Las velocidades del agua y de los gases de combustión deben ser altas para tasas altas de transferencia de calor con una caída de presión mínima a través del sistema.. 9.No debe haber depósitos de lodo y materiales extraños en la superficie interior ni depósitos de hollín en la superficie exterior de las piezas de transferencia de calor. 1. Indique cómo se clasifican las calderas. 2. Explicar el principio de las calderas pirotubulares y acuotubulares. 3. Describa con un croquis prolijo el funcionamiento de la caldera Cochran. Muestre la posición de los diferentes montajes y explique la función de cada uno. 4. Describa, con dibujos prolijos, la construcción y el funcionamiento de una caldera Lancashire. Muestre las posiciones de los diferentes montajes y accesorios. 5. Dibujar y describir el funcionamiento de una caldera de locomotora. Muestre las posiciones del tapón fusible, la llave de paso, la válvula de retención de alimentación y el sobrecalentador. Menciona la función de cada uno. Describir el método de obtención de tiro en esta caldera. 6. Proporcione un esquema que muestre la disposición de los tubos de agua y el horno de una caldera Babcock y Wilcox. Indique en él el recorrido de los gases de combustión y la circulación del agua. Muestre las posiciones del tapón fusible, la llave de paso y el sobrecalentador. Menciona la función de cada uno. 7. Explique por qué los tubos del sobrecalentador están inundados de agua al arrancar las calderas. 8. Mencione las principales ventajas y desventajas de las calderas pirotubulares sobre las calderas acuotubulares. 9. Analice las principales ventajas de las calderas acuotubulares sobre las calderas pirotubulares. 10. ¿Cuáles son las consideraciones que lo guiarían en la selección del tipo de caldera a adoptar para un propósito específico? 11. Distinguir entre calderas acuotubulares y pirotubulares e indicar en qué circunstancias sería deseable cada tipo. -Capacidad evaporativa -Evaporación -Factor equivalente de evaporación -Eficiencia de la caldera - es elcantidad de vapor generado por la caldera por hora en kgen condiciones de plena carga. - La tasa de generación se puede expresar en función del área de la parrilla, el volumen del horno o el combustible quemado. - -Elcantidad de aguaeso se evaporaria por un aparato dado Si elel agua es recibida por el aparato a 212 grados F (100 grados C) y vaporizada a esa temperatura bajo presión atmosférica. -Se define como elproporción de calor recibido por 1 kg de vapor bajocondición de trabajo aesorecibido por 1 kg de agua evaporado a 100OC Esto también se conoce como 'método de entrada-salida' debido al hecho de que solo necesita la salida útil (vapor) y la entrada de calor (es decir, combustible) para evaluar la eficiencia. Esta eficiencia se puede evaluar mediante la fórmula: La eficiencia térmica de la caldera se define como el porcentaje de entrada de calor que se utiliza efectivamente para generar vapor. Hay dos métodos para evaluar la eficiencia de la caldera. 1) El método directo: donde la ganancia de energía del fluido de trabajo (agua y vapor) se compara con el contenido de energía del combustible de la caldera. 2) El Método Indirecto: Donde la eficiencia es la diferencia entre las pérdidas y la entrada de energía. Esto también se conoce como 'método de entrada-salida' debido al hecho de que solo necesita la salida útil (vapor) y la entrada de calor (es decir, combustible) para evaluar la eficiencia. Esta eficiencia puede evaluarse mediante la fórmula Ejemplo Méritos - ƒEl personal de planta puede evaluar rápidamente la eficiencia de las - calderas ƒRequiere pocos parámetros para el cálculo - ƒNecesita pocos instrumentos para monitorear Deméritos - ƒNo da pistas al operador de por qué la eficiencia del sistema es menor ƒNo calcula varias pérdidas responsables de varios niveles de eficiencia ƒLa tasa de evaporación y la eficiencia pueden inducir a error, si el vapor está muy húmedo debido al arrastre de agua La eficiencia se puede medir fácilmente midiendo todas las pérdidas que ocurren en las calderas utilizando los principios que se describen. Las desventajas del método directo pueden superarse con este método, que calcula las diversas pérdidas de calor asociadas con la caldera. Se puede llegar a la eficiencia restando las fracciones de pérdida de calor de 100. Una ventaja importante de este método es que los errores en la medición no provocan cambios significativos en la eficiencia. Por lo tanto, si la eficiencia de la caldera es del 90 %, un error del 10 % en el método directo dará como resultado un cambio significativo en la eficiencia. es decir, 90 +/- 9 = 81 a 99 En método indirecto , 10% de error en la medición de pérdidas resultará en Eficiencia = 100 – (10 +/- 1) o 90 +/- 1 = 89 a 91 L1- Pérdida por gas de combustión seco (calor sensible) L2- Pérdida por hidrógeno en el combustible (H2) L3Pérdida por humedad en el combustible (H2O) L4Pérdida por humedad en el aire (H2O) L5- Pérdida por monóxido de carbono (CO) L6- Pérdidas por radiación superficial, convección y otras no contabilizadas*. * (Pérdidas que son insignificantes y difíciles de medir). L7-Pérdidas no quemadas en cenizas volantes (Carbón) L8Pérdidas no quemadas en cenizas de fondo (carbono) Rendimiento de caldera por método indirecto = 100 – (L1+L2+L3+L4+L5+L6+L7+L8) Esta es la mayor pérdida de la caldera y se puede calcular con la siguiente fórmula: Masa total de gases de combustión (m)/kg de combustible = masa de aire real suministrado/kg de combustible + 1 kg de combustible La combustión de hidrógeno provoca una pérdida de calor porque elproducto de la combustión es agua. Esta agua se convierte en vapor y este se lleva el calor en forma de calor latente. La humedad que entra en la caldera con el combustible sale como vapor sobrecalentado. Esta pérdida de humedad se compone del calor sensible para llevar la humedad al punto de ebullición, el calor latente de evaporación de la humedad y el sobrecalentamiento requerido para llevar este vapor a la temperatura del gas de escape. Esta pérdida se puede calcular con la siguiente fórmula: El vapor en forma de humedad en el aire entrante se sobrecalienta a medida que pasa por la caldera. Dado que este calor pasa por la chimenea, debe incluirse como una pérdida de la caldera. Para relacionar esta pérdida con la masa de carbón quemado, se debe conocer el contenido de humedad del aire de combustión y la cantidad de aire suministrado por unidad de masa de carbón quemado. La masa de vapor que contiene el aire se puede obtener a partir de cartas psicrométricas y los valores típicos se incluyen a continuación: Los productos formados por la combustión incompleta podrían mezclarse con oxígeno y quemarse nuevamente con una mayor liberación deDichos energía. productos incluyen CO, H2 y varios hidrocarburos y generalmente se encuentran en los gases de combustión de las calderas.El monóxido de carbono es el único gas cuya concentración se puede determinar convenientemente en una prueba de planta de calderas Las otras pérdidas de calor de una caldera consisten en la pérdida de calor por radiación y convección desde la fundición de la caldera hacia la sala de calderas circundante. Normalmente, la pérdida de superficie y otras pérdidas no contabilizadas se asumen en función del tipo y tamaño de la caldera, como se indica a continuación. Para caldera industrial pirotubular / compacta =1,5 a 2,5% Para caldera acuotubular industrial =2 a 3% Para caldera de central eléctrica =0,4 a 1% Sin embargo, se puede calcular si el área superficial de la caldera y su temperatura superficial se conocen como se indica a continuación. : Pérdida de calor debido al carbón no quemado en cenizas volantes y cenizas de fondo: Habiendo establecido la magnitud de todas las pérdidas mencionadas anteriormente, un simple balance de calor daría la eficiencia de la caldera. La eficiencia es la diferencia entre la entrada de energía a la caldera y las pérdidas de calor calculadas. Los diversos factores que afectan el rendimiento de la caldera. están enlistados debajo: - ƒLimpieza periódica de calderas - ƒSoplado periódico de hollín - ƒTratamiento de agua adecuado programado y control de purga - ƒControl de tiro - ƒControl de exceso de aire - ƒPorcentaje de carga de la caldera - ƒPresión y temperatura de generación de vapor - ƒAislamiento de calderas - ƒCalidad del combustible Ver estadísticas de publicación