Calderas / Generadores de Vapor

Calderas Industriales

Definiciones Básicas

En su concepción más simple, las calderas son equipos diseñados para transferir calor producido por combustión, o mediante electricidad, a un fluído determinado. Existen una gran variedad de calderas; el más simple podría ser concebido como el sencillo hervidor de agua casero, existiendo en el otro extremo gigantescos calderos para generación termoeléctrica operados por computadora. El primer caldero industrial de vapor utilizado representaba un solo tubo de intercambio térmico. Las necesidades de disponer gradualmente de fluidos (agua caliente, vapor, aceite térmico) con características cada vez más exigentes de presión y temperatura, determinaron que los calderos se vayan tornando cada vez más complejos, hasta llegar a los modernos sistemas de generación de vapor a presiones críticas y supercríticas para generación eléctrica. Se emplean para producir agua caliente, vapor saturado, vapor sobrecalentado o calentar aceite térmico. Los calderos, exceptuando los eléctricos, tienen 6 partes básicas : .

Quemador : Aporta el combustible y el aire de combustión (comburente), los mezcla y produce la combustión. Sus características dependen del combustible, debiendo disponer de los mecanismos de regulación que permitan formar una llama adecuada al hogar o cámara de combustión.

Cámara de Combustión: También llamado hogar, es el espacio donde se aloja la llama, es decir, se produce la combustión y se transfiere calor por radiación.

Sección de Convección: Zona donde se transfiere el calor de los gases de combustión al fluido a través de las superficies de calefacción (tubos).

Chimenea: Por donde se eliminan los gases de combustión después de transferir calor al fluido, permitiendo regular el tiro.

Ventiladores de Aire: Proporcionan el aire de combustión con el caudal suficiente para aportar el oxígeno para la combustión y el impulso necesario para formación de llama e impulsar los gases a través del caldero. En equipos grandes, puede requerirse un ventilador exhaustor para tiro inducido.

Instrumentaciones y Controles: Permiten efectuar la operación con la mayor seguridad y alcanzar mayores niveles de eficiencia.

 

Clasificación de las calderas

Las calderas se clasifican según diferentes criterios relacionados con la disposición de los fluidos y su circulación, el mecanismo de transmisión de calor dominante, el tipo de combustible empleado, la presión de trabajo, el tiro, el modo de operación y parámetros exteriores al caldero ligados a la implementación, ubicación, lugar de montaje y aspectos estructurales.

a)Por la disposición de los fluidos : -

De tubos de agua (acuotubulares). –

De tubos de humo (pirotubulares).

 

 

 

 

 

 

b) Por la circulación de agua : -

De circulación natural. –

De circulación asistida

De circulación forzada.

c) Por el mecanismo de transmisión de calor: -

De convección. –

De radiación. –

De radiación y convección.

 

d) Por el combustible empleado:

De carbón mineral (parrilla mecánica o carbón pulverizado).

De combustibles líquidos.

De combustibles gaseosos. –

De combustibles especiales (leña, bagazo, etc). –

De recuperación de calor de gases de salida –

Mixtos.

Nucleares

e) Por la presión de trabajo:

Subcríticos.

De baja presión p < 20 Kg/cm2.

De media presión 20 > p > 64 Kg/cm2.

De alta presión p > 64 Kg/cm2. –

Supercríticos.

f) Por el tiro: -

De tiro natural. –

De tiro forzado.

De tiro inducido.

 

Presión y temperatura de trabajo Desde el punto de vista de la elección de la presión más conveniente para una caldera, podemos clasificar a éstos en tres grandes grupos :

a) Calderos destinados a suministrar vapor saturado para procesos de calefacción.

b) Generadores de vapor recalentado para alimentar turbinas a contrapresión y aprovechar el vapor de salida, después de saturarlo, para procesos de calefacción.

c) Generadores de vapor recalentado para la producción de energía eléctrica en turbinas de condensación.

La elección de la presión del grupo (a) es inmediata, cuando lo que se requiere es vapor para calentamiento. Como agente de calefacción se utiliza vapor saturado, ya que el vapor recalentado tiene las propiedades de un gas y su coeficiente de transmisión de calor es muy pequeño. Puesto que un buen intercambiador de calor calienta un fluido a una temperatura aproximada de 10°C a 15°C por debajo de la temperatura del vapor calefactor, partiendo de la temperatura necesaria en el fluido a calentar, se deducirá la temperatura requerida en el vapor a la salida del caldero, tomando en cuenta las pérdidas de calor en el transporte. Por medio de las tablas Presión-Temperatura, se determina la presión a la cual se tendrá que producir el vapor saturado, para alcanzar la temperatura adecuada. El vapor saturado se utiliza como agente de transmisión de calor hasta temperaturas de unos 200°C aproximadamente, lo que supone presiones del orden de unas 18 atm. Por encima de estas presiones, su utilización suele ser inconveniente por requerir tuberías y aparatos muy robustos; en estos casos se utilizan fluidos portacalóricos y aceites térmicos.

 

Criterios prácticos de selección de calderos La gran variedad de tipos de calderos existentes y las múltiples posibilidades de conformación de los equipos que integran un sistema de generación de vapor podrían hacer aparecer como algo muy complejo la selección de un determinado caldero para atender un requerimiento industrial de vapor, agua caliente o calentamiento de fluídos térmicos. En el caso de calderos pirotubulares, la selección de equipos de uno, dos, tres o cuatro pasos obedece a criterios técnicos y económicos. Mientras mayor sea el número de pasos se conseguirá mayores eficiencias, pero los equipos serán más caros. En acuotubulares, hasta cierta capacidad podrán ser tipo paquete, pero a partir de cierto límite, variable para cada caso, resultará conveniente montarlos en planta. La decisión respecto a la instalación de economizadores y recuperadores de calor obedece igualmente a criterios de factibilidad técnica y conveniencia económica, en función de la capacidad de producción de vapor de los calderos y sus presiones de operación. Conviene establecer, para evitar confusiones, que en la práctica industrial se llama economizador al sistema que permite aprovechar el calor de los gases de combustión para precalentamiento del agua de alimentación y recuperadores a los que lo hacen para precalentamiento del aire de combustión. La instalación de economizadores siempre resultará prioritario; instalaciones con recuperadores y sin economizadores solamente resulta explicable por ignorancia o mayores niveles de utilidad comercial para el proveedor.

 

Siempre existirá la posibilidad de prevenir la corrosión por condensación, instalando un by pass para circulación de los gases de salida cuando exista la posibilidad de que su temperatura disminuya por debajo del punto de rocío.

 

El calentamiento del aire disminuye su capacidad como comburente en forma proporcional a la disminución de su densidad. Calentar el aire de combustión a 150 °C es equivalente a operar a una altura de 3.000 m.s.n.m.

Dentro de las instalaciones de la industria petrolera vamos a conseguir comunmente 3 tipos de vapor:

Vapor de baja presion , Vapor de Media presion y vapor de Alta presion.

Dependiendo el diseño original de las empresas (y la cultura de la organizacion) los equipos de medicion podemos encontrarlos en diferentes tipos de unidades de medicion, (PSI  -  ATM  -  Kg/cm2  -  KPa)

A continuacion les presento una tabla con los valores (regularmente manejados) para estos tres tipos de vapor en las diferentes unidades.

 

Tipo de vapor		Presion				Temperatura
	Bar	Kpa	ATM	PSI	Kg/cm2	°C	°F
Baja	3	300	2.96	43.51	3.06	134	273
Media	12	1200	11.8	174	12.24	160	320
Alta	41	4100	40.46	594	41.81	250	485

 

En algunos casos puede que se vean valores aproximados a los especificados los cuales podras identificar rapidamente cual tipo de vapor es el que estas manejando aproximandolos a los valores dados en esta tabla.

Vapor

el vapor es la fuente de calor mas ampliamente usada en plantas químicas debido a varias razones:

·         el calor de condensación del vapor es alto, suministrando una cantidad de calor alta por kg de servicio industrial a temperatura constante.

·         la tempertura puede ser controlada precisamente con la presión.

·         el condensado tiene alto coef transferencia=>economía.

·         el vapor no es tóxico, no es inflamable, fácil de visualizar fugas e inerte para muchos fluidos de proceso.

El vapor se puede presentar en tres tipos principalmente:

•VAPOR DE ALTA PRESIÓN, 40 BAR, 250ºC DE CONDENSACIÓN.

•VAPOR DE MEDIA PRESIÓN, 20 BAR, 212ºC DE CONDENSACIÓN.

•VAPOR DE BAJA PRESIÓN, 3 BAR, 134ºC DE CONDENSACIÓN.

el vapor de alta y media presión se utiliza para calentamiento o generación de electricidad y el de baja para calentamiento moderado, despojamiento, limpieza, esterilización y purga.