Capítulo 18 1 Capítulo 18 Generadores de Vapor 18.1

67.23/37 – UBA – Ing. O. Jaimovich
Capítulo 18
Generadores de Vapor
18.1- Generalidades:
En ellos se efectúa le transferencia de calor (calor entregado Qe) desde la fuente caliente,
constituida en este caso por los gases de combustión generados en el hogar (o en otra
máquina*), al fluido de trabajo (vapor de agua).
Son entonces, esencialmente intercambiadores de calor de superficie, por lo cual en ellos
la transferencia de calor debe efectuarse con el mejor rendimiento posible, compatible con
los costos de la instalación.
El esquema funcional se puede sintetizar de la siguiente manera:
escape
gases
vapor
Qe
condensado
Como sistema, se deben considerar las pérdidas, que en general se pueden considerar:
•
•
•
•
Pérdidas por los gases de escape (Máximo de 13%)
Evaporación del agua formada en la combustión (Hasta 4%)
Pérdidas por deficiencias en el rendimiento de combustión (Hasta 0,2%)
Pérdidas por radiación, fugas de calor en general (Hasta 2,5%)
Desde luego, estos valores son solamente indicativos y corresponden a valores de
instalaciones comunes.
En general, el valor porcentual de las pérdidas en general, y de cada tipo en particular, se
trata de disminuir a medida que aumenta la escala de la generación de vapor; es decir que
es de esperar que en los mayores generadores, correspondientes a las mayores potencias,
las pérdidas totales lleguen casi a la mitad de los valores anteriores.
18.2- Tipos de generadores de vapor:
La superficie de intercambio en los generadores está constituida por paredes de tubos,
generalmente de acero, y que separan a los gases de combustión del fluido de trabajo
(agua o vapor).
De acuerdo al uso y a la escala de generación, se pueden considerar dos tipos básicos,
según sea por dónde circulan cada uno de ellos.
18.2.a- Generadores Humotubulares:
Así llamados porque los gases de combustión circulan por dentro de los tubos, y el agua
los rodea por fuera, según el corte esquemático siguiente, en el que se pueden ver los
tubos de circulación de gases colocados entre dos placas, con una envuelta externa que
sirve para contener el agua.
El generador se completa con cajas en ambos extremos, cuyas tapas son removibles, y
que sirven para guiar los gases.
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El corte esquemático sería como el siguiente:
PI
PS
VS
Para ilustrar la disposición de los elementos principales se acompaña el siguiente esquema
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Se han indicado además en forma genérica los elementos de instrumentación elemental
como manómetro y presostato (PI y PS respectivamente), debiéndose considerar además
los siguientes elementos:
• Control de nivel
• Válvula de seguridad
• Válvulas de salida y purga
Este tipo de generadores, por su diseño no admiten presiones de trabajo elevadas, más
allá delas dos o tres atmósferas; son de construcción sencilla y disponen de moderada
superficie de intercambio, por lo que no se utilizan para elevadas producciones de vapor.
Su rendimiento global esperado a lo largo de su vida útil no supera el 65% en el mejor de
los casos.
Son en compensación, muy económicos en costo y de instalación sencilla, por lo que su
utilización actual primordial es para calefacción y producción de vapor para usos
industriales.
Originariamente se utilizaron para generación de vapor en pequeñas embarcaciones de
trabajo (remolcadores) y fundamentalmente, tracción ferroviaria. También se fabricaron
máquinas viales y grúas accionadas por motores de vapor con este tipo de calderas.
Actualmente el uso ferroviario reviste el carácter de atracción turística o de colección.
18.2.b- Generadores acuotubulares:
Son aquellos en los que el agua o vapor circula por dentro de los tubos. El esquema
funcional es el siguiente:
Sobrecalentadores
Separador
de gotas
Ventilador de
tiro inducido
Domo
Revestimiento refractario
y aislación
Precalentador
de combustible
Paredes de
agua
Quemador
Recuperador
Hogar
Economizador
Ventilador de
tiro forzado
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Colector
inferior
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Paredes de
tubos
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Para una mejor visualización de la disposición que pueden adoptar los elementos se
acompaña el siguiente esquema:
18.3- Hogares:
Dado que los generadores de vapor son esencialmente intercambiadores, y que el calor a
transferir proviene de la energía del combustible, se puede inferir que el conjunto hogarquemadores constituye el trasductor primario de la energía en los procesos de generación
eléctrica.
Por ello la gran influencia de este conjunto en el rendimiento global de una instalación.
En primer término se debe considerar el rendimiento de combustión como la relación entre
la fracción de energía realmente liberada en el proceso, y el total teórico disponible, que dá
una idea del grado de aprovechamiento del combustible, para las condiciones de trabajo
dadas.
Como se vio en el capítulo correspondiente a combustión, el factor que tiende a disminuir
dicho rendimiento es el escaso tiempo disponible para el proceso.
Para controlar ese factor se debe aumentar el tiempo o “estadía” de los gases en el hogar,
para lo cual se puede aumentar el recorrido de los gases aumentando las dimensiones, o
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bien, aumentar dicho recorrido sin aumentar las dimensiones físicas del hogar, pero
modificando la circulación en forma de flujo helicoidal (hogares ciclónicos).
De esta forma se pueden utilizar combustibles residuales sin riesgo de emisiones
peligrosas ni problemas operativos.
Los parámetros de diseño en general son:
1. Clase de combustible a utilizar
2. Cantidad de energía a transferir por unidad de tiempo (flujo)
3. Ritmo y porcentaje de variación de dicho flujo (capacidad de regulación)
4. Grado de recuperación térmica deseado.
El tipo de combustible no solamente determina la configuración fídisca de los quemadores
y el hogar, sino que también determina el flujo de aire requerido, como por ejemplo:
•
•
•
Carbón y combustibles sólidos en general: 20 a 30% de exceso de aire
Combustibles líquidos: 15%
Combustibles gaseosos: 10 a 15%
Donde se entiende por exceso toda cantidad por encima de los valores estequiométricos.
El flujo de calor viene dado, a más de una constante, por el requerimiento de máxima
producción continua de vapor (con una determinada entalpía) y eventuales sobrecargas
admisibles.
También se puede predecir en primera aproximación el volumen físico requerido para el
hogar en función del tipo de combustible, ya que para cada tipo de combustible en cada
tipo de hogar libera normalmente una determinada cantidad de unidades de energía por
unidad de volumen, unidad de tiempo y temperatura prevista del hogar.
18.4 – Paredes de agua:
Las paredes de agua constituyen actualmente el elemento primordial en la transmisión de
calor desde los gases de combustión al fluido de trabajo al aprovechar totalmente el efecto
radiante de los mismos, produciendo una mejora importante en el rendimiento.
Pero además, mejoran el rendimiento total del generador al minimizar las pérdidas de calor
al exterior del hogar.
El efecto restante es el objetivo primario de este elemento, que consiste en la protección
del refractario del hogar para evitar su erosión y rotura. Un corte típico es:
estructura
mampostería
aislante
envuelta
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Membrana de
tubos
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cemento
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A los efectos de fijar conceptos, se puede ver una vista general del armado de una caldera
de 120 T/h, de tipo convencional, donde se señalan los elementos principales, incluyendo
el armado de las paredes de agua que forman la pared lateral, piso y techo del hogar, y el
montaje de la parte frontal correspondiente:
DOMO
COLECTOR
SUPERIOR DE LA
PARED DE AGUA
FRONTAL
HACES
CONVECTIVOS
ENTRADA DE
HOMBRE
TAMBOR
INFERIOR
18.5 – Transmisión de calor:
La transmisión de calor desde la fuente caliente (gases de combustión) l fluido de trabajo
(agua – vapor) se realiza a través de la superficie de intercambio, en este caso, las paredes
de los tubos del generador.
El proceso reconoce tres efectos:
1. radiación (desde los gases clientes y luminosos hacia las paredes externas de los
tubos)
2. convección (desde los gases en la capa límite contra la pared exterior de los tubos)
3. por conducción (entre las superficies externa e interna de los tubos)
4. y nuevamente convección en la capa límite de la superficie interna de los tubos
hacia el fluido de trabajo.
Las expresiones en cada caso son:
Para el caso de conducción a través de paredes de materiales diferentes con espesores
diferentes, y siendo ki los correspondientes coeficientes de conductibilidad térmica para
cada uno de los materiales de las paredes; bi los espesores de cada una; y te y ti las
temperaturas exteriores a uno y otro lado de la pared compuesta, la cantidad de calor por
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unidad de tiempo y de superficie transmitida será, considerando el caso simple de pared
plana e indefinida:
t −t
Q = en i
b
∑1 k i
i
y si se considera la convección fluida a ambos lados,
Q=
t e − ti
b
1
∑1  k i + h
 i
i
n



Donde hi son los coeficientes convectivos; si se denomina K (coeficiente de transmisión
combinado) al término
1
b
1
∑1  k i + h 
 i
i 
n
=K
Se puede entonces expresar la transmisión de calor como:
Q = K (θ esterna - θ interna )
siendo ? las temperaturas de los fluidos a uno y otro lado de la pared.
Los casos posibles de transmisión en las diferentes partes del generador de vapor, y de
acuerdo con el sentido de circulación relativo entre fluidos y estado de los mismos son:
t
t
? t1
? t1
t
t
? t1
? t1
? t2
? t2
FLUIDO
ENFRIÉNDOSE Y
LÍQUIDO
EVAPORÁNDOSE
x
? t2
? t2
FLUIDOS
ENFRIÁNDOSE
EN FLUJO
PARALELO
x
UN FLUIDO SE
ENFRÍA Y EL OTRO
SE CALIENTA EN
CONTRACORRIENTE
x
VAPOR
CONDENSANDO Y
FLUIDO
CALENTÁNDOSE
x
Para estos casos, que representan todas las posibilidades técnicas, la diferencia de
temperaturas que se utiliza en la expresión de transmisión de calor es:
∆t − ∆t 2
∆t m = 1
∆t
2,3 ln 1
∆t 2
que se conoce como diferencia media logarítmica de temperaturas.
Asimismo, en paredes metálicas, los espesores b son siempre pequeños, mientras que los
coeficientes k son grandes, por lo que en primera aproximación se suelen despreciar los
términos b/k, quedando el coeficiente total de transmisión K de la siguiente forma:
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K=
1
1
1
+
h1 h 2
para el caso de pared simple y un fluido a cada lado.
La transmisión de calor por radiación por unidad de superficie y unidad de tiempo, de
acuerdo a la expresión de Stephan Boltzman es
 Te  4  Tr  4 
Q = σ . e . 
 −
 
 100  
 100 
donde Te y Tr son las temperaturas absolutas del emisor y receptor respectivamente, d la
constante de Boltzman y e, el coeficiente de emisividad o absortividad,
0≤ e≤1
correspondiendo el valor 0 al cuerpo reflector perfecto y 1 al cuerpo negro perfecto.
Se utiliza una expresión simplificada mediante el coeficiente de radiación kr tal que se
cumple:
 Te  4  Tr  4 
Q = σ . e . 
 −
  = kr . e . ( t1 - t2 )
 100  
 100 
 Te  4  Tr  4 
σ . 
 −
 
 100   100  

o sea que k r =
(t 1 - t2)
Entonces se puede calcular, para un caso genérico de una pared de tubos que recibe calor
de un ambiente caliente,
Qtotal = Qradiación + Qconvección = (K + kr) . (t1 – t2)
Normalmente, el valor de ambos coeficientes se sacan de ábacos o tablas, y las
temperaturas son, en este caso, la de los gases de combustión y el agua o vapor que
circula por dentro de los tubos respectivamente.
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