Clase digital 10. Principios de generadores de vapor

Principios de generadores de vapor

Introducción

¡Hola!

¡Qué gusto saber de ti! Sigue siendo un placer contar con tu asistencia en esta unidad de aprendizaje, espero que tu ánimo no decaiga pues estás avanzando con pasos seguros en él, por lo tanto, te invito a la clase diez con el título Principio de generadores de vapor de la unidad de aprendizaje Centrales Eléctricas.

En esta clase se verán los conceptos del generador de vapor el cuál está siendo utilizado en la actualidad para reemplazar la denominación de caldera, e indica al conjunto de equipos compuestos por: horno, cámaras de agua (o evaporador), quemadores, sobrecalentadores, recalentadores, economizador y precalentador de aire. Las calderas son dispositivos de ingeniería diseñados para generar vapor saturado (vapor a punto de condensarse) debido a una transferencia de calor, proveniente de la transformación de la energía química del combustible mediante la combustión, en energía utilizable (calor), y transferirla al fluido de trabajo (agua en estado líquido), el cual la absorbe y cambia de fase (se convierte en vapor). El término de caldera ha sido por mucho tiempo utilizado y los dos términos se usan indistintamente. La producción de vapor a partir de la combustión de combustibles fósiles se utiliza en todo tipo de industrias de transformación de materias primas y en las centrales termoeléctricas.

En relación con lo anterior, te invito a continuar con la clase. ¡Ánimo!

Desarrollo del tema

A la combinación de una caldera y un sobrecalentador se le conoce como generador de vapor.

Una caldera es un recipiente metálico, cerrado, destinado a producir vapor o calentar agua, mediante la acción del calor a una temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que la atmosférica. El principio básico de funcionamiento de las calderas consiste en una cámara donde se produce la combustión, con la ayuda del aire comburente y a través de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor.

Componentes principales

La estructura de una caldera dependerá del tipo o forma de generación, no obstante se pueden resaltar los siguientes componentes como esenciales:

• Chimenea: Es una pequeña parte sobresaliente que sirve como conductor de liberación. A través de ella se libera el vapor, el humo o los gases de combustión cuando se realiza la interacción de fluidos.
• Quemador: Se trata de una pieza principal que sirve para llevar a cabo la combustión.
• Hogar: La función de este compartimiento es contener al quemador para producir el calor interno. En su interior se generan gases calientes como consecuencia del combustible.
• Cuerpo de la caldera: Representa la estructura exterior en donde está contenido el hogar y los tubos de intercambio calórico, y tiene un aislamiento interior y exterior para evitar pérdidas de calor y quemaduras al personal. También cuenta con tapas y registros para permitir el acceso para mantenimiento.
• Tubos de Intercambio: Estos conductores son los encargados de trasladar el flujo de calor entre el agua y los gases. También originan las burbujas de vapor.
• Control de Nivel de Agua: Verifica que el nivel del agua dentro de la caldera sea un nivel seguro para que ésta encienda. Durante la operación, vigila y corrige errores; si baja el nivel, envía una señal a la bomba de alimentación para que arranque e inyecte más agua, si continúa bajando, por seguridad envía otra señal al quemador para que se apague y no permite que se encienda hasta tener un nivel seguro; y en caso de que suba el nivel del agua, envía una señal para que se pare la bomba.
• Bomba de Inyección de Agua: Al bajar el agua del nivel mínimo de operación, recibe la señal del control de agua y arranca, tomando agua del tanque de condensado e introduciéndola a la caldera; en cambio, cuando sobrepasa un nivel de seguridad prefijado, también se apaga para no exceder el nivel de operación y ahogar la caldera.
• Sistema de Aire: Este sistema es el elemento primordial para mantener una combustión. Debe ser regulado de acuerdo al consumo de vapor y en proporción adecuada al combustible, para mantener la flama con una combustión no contaminante y económica. Comprende la malla del ventilador, el ventilador y las varillas de ajuste para el modutrol (modulador de entrada el aire).
• Sistema de Combustible: Este sistema mantiene la alimentación de combustible (Liquido o Carbón) adecuada para la combustión que se realiza en el hogar de la caldera. Comprende tuberías, filtros, y/o bomba de combustible y válvula solenoide.

Clasificación de los generadores de vapor

Existen varias características que dan lugar a varias agrupaciones de las calderas que pueden ser:

Por naturaleza de servicio:

• Fija
• Portátil
• Locomotora
• Marina

Por el tipo de combustible:

• Carbón
• Combustibles líquidos
• Combustibles gaseosos
• Combustibles mixtos (Residuos, Licor Negro, Cascaras de Frutos)

Por el tiro:

• Tiro natural. No requiere de sistemas de ventilación adicional para evacuar los gases de combustión.
• Tiro forzado. Dispone de un ventilador integrado que garantiza una correcta evacuación de los gases quemados.

Por los sistemas de apoyo:

• Calderas apoyadas
• Calderas suspendidas

Por la transmisión de calor:

• Calderas de convección. Es la transferencia de Energía entre una superficie sólida y un fluido gaseoso o líquido, es causada por el movimiento y agitación del fluido.
• Calderas de radiación. Es la transferencia directa de calor en forma de Energía radiante, este tipo de energía es emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas o fotones.
• Calderas de conducción. Es la transferencia de Energía desde un punto de un material hacia otro del mismo o un material contiguo.

Por la disposición de fluidos:

• Calderas de tubos de agua. Acuotubulares, El agua circula por dentro de los tubos, mientras que los gases circulan por el exterior.
• Calderas de tubos de humos. Pirotubulares, Los gases calientes circulan por dentro de los tubos y el agua circula por el exterior de estos.

Funcionamiento del generador de calor

Principio Fundamental

El agua es calentada hasta su punto de ebullición y se produce vapor, conforme se evapora el agua su nivel baja y habrá que suministrar agua para mantener un nivel dado.

El nivel del agua puede ser extremadamente sensible a cambios como un aumento en la demanda de vapor, el primer propósito de los sistemas de control es mantener el nivel del agua dentro de los limites inferiores y superiores, si es demasiado bajo las superficies de calentamiento quedaran expuestas y la caldera se sobrecalentara, si es demasiado alto el agua podría ser aspirada junto con el vapor resultando en una pobre calidad de vapor y arrastre (el diseño compacto de las calderas modernas implica que esta banda de operación sea muy angosta) por lo tanto un control preciso se ha vuelto imprescindible para una operación segura y eficiente.

Nivel del agua

Para poder controlar el nivel del agua en una caldera debe ante todo poder medirse, aun con tasas bajas de generación de vapor cuando las condiciones son de lo más estable hay un movimiento considerable del agua y gran turbulencia, al hablar de un nivel de agua inmóvil es muy claro a lo que se refiere, sin embargo al hervir el agua burbujas de vapor comienzan a ocupar un cierto espacio dentro del agua ocasionando un aumento de nivel general aunque la cantidad de agua en si no ha cambiado, entre mas vigorosa se vuelve la ebullición más aumenta el nivel, la superficie está formada de grandes burbujas que se revientan, pero el espesor de esta capa de burbujas puede variar según las circunstancias.

Los cristales de medición externos deben medir el nivel del agua en ebullición justo por debajo de la capa de burbujas donde la proporción de agua burbujas sea representativa del interior de la caldera y ese es el nivel que se ve a través del indicador de nivel.

Control del agua de alimentación

1. Control de nivel On/Off

Cuando el nivel del agua cae a un cierto punto la bomba de alimentación se enciende y llena la caldera hasta el nivel adecuado y así se repite el ciclo. Esto puede ser bastante sencillo de llevar a cabo pero interfiere con el equilibrio al interior de la caldera, al añadir agua a una temperatura menor, se suprime la tasa de ebullición, por consecuencia la generación de vapor disminuye y la tasa solo puede recuperarse hasta que el agua alcance de nuevo su punto de ebullición.

Estos efectos son reducidos con el precalentamiento del agua de alimentación, cuanto más alta la temperatura más rápidamente se recupera la taza de ebullición. Una temperatura elevada del agua de alimentación también reduce el consumo de secuestradores químicos de oxígeno.

2. Control modulado

Se coloca una alimentación continua pero variable de agua precalentada para mantener la caldera en equilibrio, al suministrar cuidadosamente el caudal de agua de reposición para igualar los cambios en la demanda de vapor el nivel es mantenido en una posición óptima con poca fluctuación.

El resultado es un caudal de vapor constante y seguro y una caldera balanceada y lista para responder a demandas fluctuantes.

Operación a baja presión

En la operación a baja presión la superficie es mucho más turbulenta salpicando agua hacia el punto de salida del vapor, la razón de esto es que las burbujas de vapor son más grandes a baja presión y al ser más grandes causan mayor turbulencia cuando se rompen en la superficie. Trabajar a baja presión es obviamente menos estable y hay más probabilidad que gotitas de agua contaminen la calidad del vapor cuando el nivel del agua alcance su punto más alto. Si se requiere vapor de baja presión se recomienda operar la caldera a su presión de diseño y en el punto de aplicación bajarla con una válvula reductora de presión.

Aumento de demanda

1. Dentro de la capacidad de la caldera

Cuando la demanda de vapor aumenta, la caldera tardara un poco en aumentar su generación para igualar la nueva
demanda, sin embargo durante ese periodo de tiempo la demanda sobrepasa la cantidad de vapor que la caldera puede producir y como resultado se crea una caída de presión en el sistema de vapor. Cuando hay una caída de presión se produce vapor flash (agua convertida espontáneamente en vapor sin aporte de calor) el cual consume agua de manera descontrolada. Este fenómeno es común cuando la caldera sufre un aumento en la demanda de vapor, por esto el aumento en la demanda debe hacerse gradualmente para un mejor control.

2. Fuera de la capacidad de la caldera

Este aumento ocasiona problemas de golpe de ariete y nivel bajo de agua en la caldera, de hecho es común que la caldera se apague al accionarse la alarma de bajo nivel.

El agua es aspirada hacia la toma de vapor, al sostener la sobredemanda el nivel turbulento de burbujas sigue subiendo, nada de esto es visible en el indicador de nivel externo ya que este está mostrando agua casi libre de burbujas mientras que el agua en la parte superior de la caldera consiste casi principalmente de burbujas de vapor. Los niveles mostrados comienzan a caer conforme el agua se vaporiza continuamente en el intento de la caldera por satisfacer la demanda excesiva, eventualmente la alarma de bajo nivel apagara el quemador y el agua llena de burbujas baja rápidamente dejando en evidencia la cantidad restante de agua en la caldera dejando en expuesta su estructura.

Te invito a ver el siguiente recurso en apoyo a tu aprendizaje:

Conclusión

En resumen, es importante conocer los distintos dispositivos que conforman a la caldera, ya que estos y sus diversas configuraciones son encargadas de darle sus características distintivas a la generación de vapor y por ende su maleabilidad para su uso en la industria. A pesar de que el principio de generación del vapor es sencillo, la operación de una caldera para la generación de este es más complicada de lo que parece, hay que tener un amplio conocimiento de las distintas protecciones y las acciones a las que hay que recurrir en caso de que cada una se accione.

Hemos concluido la clase y como puedes notar has aprendido mucho durante el trayecto del curso ¡Muchas felicidades! Te invito a repasar los temas y conceptos revisados y la realización de las consignas para que se pueda alcanzar el aprendizaje esperado en esta clase. Te encuentro en tu siguiente clase.

Fuentes de información

• Klempner, G., & Kerszenbaum, I. (2008). Handbook of Large turbo-generators, operation and maintenance. (2a ed.). Wiley-IEEE Press.
• Nag. P. K. (2002). Power Plant Engineering. (2a ed.).Tata McGraw Hill Education.
• Drbal, L., Westra, K., & Boston, P. (Eds). (1996). Power Plant Engineering. Springer EE. UU.