XIX.- ECONOMIZADORES Y CALENTADORES DE AIRE
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Los economizadores y calentadores de aire recuperan la energía de los humos, antes de ser evacuados
a la atmósfera, y son necesarios para obtener una alta eficiencia en la caldera. Los economizadores
recuperan parte de esa energía precalentando el agua de alimentación de la caldera, y los calentadores
de aire realizan el precalentamiento del
y resulta imprescindible en la combustión del carbón pulverizado para:
airecomburente, que mejora la combustión de muchos combustibles,- Lograr el secado del carbón
- Asegurar una ignición estable
En comparación con las paredes de agua del hogar, el sobrecalentador, el recalentador, los economizadores
y los calentadores de aire, requieren mayores superficies termointercambiadoras, por unidad de
calor recuperado, lo que es debido a la pequeña diferencia que existe entre la temperatura de los humos
(fluido caliente) y la temperatura del fluido frío a calentar, agua o aire.
La utilización y disposición de un
economizador
calentador de aire
dependen de diversos factores, como:
- El combustible
- La aplicación de la unidad generadora de vapor
- La presión de operación de la caldera
- El esquema del ciclo energético en el que está la caldera
- La configuración global de la planta correspondiente a coste mínimo
Por cada 40ºF (22ºC) de disminución de la temperatura de los humos en un economizador o en un
calentador de aire, el rendimiento de la caldera aumenta un 1%.
XIX.1.- ECONOMIZADORES
Los economizadores son superficies termointercambiadoras constituidas por bancos tubulares,
que se utilizan para calentar el agua de alimentación de la caldera en las siguientes situaciones:
a) Antes de que entre en el calderín (para el caso de unidades con recirculación)
b) A antes de que llegue a las superficies del hogar (si son unidades de proceso directo o de un paso)
Los economizadores reducen la posibilidad de que se presenten choques térmicos y grandes fluctuaciones
en la temperatura del agua de alimentación de la caldera, que llega a las paredes de tubos de agua
que configuran el hogar o que entra en el calderín.
XIX.-567
Sobrecalentador primario
Economizador
Sobrecalentador secundario
Recalentador
Calentador de aire
Pulverizadores
Fig XIX.1.- Posiciones del economizador y del calentador de aire en una unidad que quema carbón
XIX.-568
Fig XIX.2.- Incremento aproximado del rendimiento debido al economizador y al calentador de aire
Fig XIX.3.- Economizador de caldera para generador de vapor de una planta termoeléctrica
El economizador suele ser la última superficie termointercambiadora refrigerada por agua, que se
encuentra aguas arriba, en el lado de humos, del calentador de aire. La Fig XIX.1 presenta la ubicación
del economizador en una unidad que quema carbón y la Fig XIX.3 su esquema.
Economizador de superficie
Tubos lisos.-
Para un economizador, el diseño más común y fiable es el que incorpora tubos desnu-XIX.-569
dos (superficie exterior lisa), en alineación regular y al tresbolillo, con flujos cruzados, Fig XIX.4a. Los tubos
desnudos y alineación regular minimizan la posibilidad de erosión y obturación provocadas por la ceniza
en polvo, en comparación con la disposición al tresbolillo, Fig XIX.4b. Cuando se quema carbón, la
ceniza en polvo de los humos crea siempre un ambiente sucio y erosivo, por lo que el banco de tubos que
constituye el economizador debe ofrecer la máxima facilidad para su limpieza con sopladores.
Superficies ampliadas
economizadores con una gran variedad de tipos de aletas, con el fin de mejorar el régimen de transferencia
térmica desde el lado de humos hacia el lado del agua.
.- Para reducir los costes de inversión, los fabricantes de calderas construyenFig XIX.4- Flujos cruzados en baterías de tubos lisos en línea y al tresbolillo
Las aletas son baratas, de precio inferior al de la superficie tubular propiamente dicha, que permiten
reducir el tamaño y el coste del economizador. El éxito de su aplicación a un caso concreto depende
del ambiente que se tenga en el lado de humos. Una preocupación importante, es la facilidad que se tenga
para realizar la limpieza de la superficie termointercambiadora, tanto la interior como la exterior del
lado de humos. No siempre se pueden recomendar economizadores con aletas, ya que éstas pueden
crear complicaciones operativas; en las calderas que cuentan con combustores ciclón, los economizadores
con aletas no son recomendables, debido a las características de alta concentración y erosividad de
la ceniza en polvo presente en los humos.
Protuberancias.-
tipos de hogares para la posterior instalación y soporte de materiales refractarios; se comportan
bastante bien en calderas que queman gases; los economizadores con protuberancias de clavos tienen
mayores caídas de presión en el lado de humos, en comparación con los economizadores con aletas helicoidales.
Los clavos suelen tener una longitud igual al radio del tubo en el que se insertan como protuberancias,
y se sueldan perpendicularmente a la superficie tubular.
En las calderas que queman carbón, las protuberancias de clavos se comportan mal a causa de las
cenizas, debido a:
Las protuberancias forman superficies similares a las que se configuran en algunos- La alta erosión por la naturaleza del polvo arrastrado
- Las pérdidas en la termotransferencia, por la suciedad debida al polvo depositado
- Obturaciones por las características fisicoquímicas de la ceniza
Aletas longitudinales.-
y formando parte de un intercambiador de calor de flujos cruzados, se presenta en la Fig XIX.5. Estos
economizadores no se comportan bien a lo largo de períodos de operación de la unidad prolongados; en
calderas que queman carbón, se sustituyen a consecuencia de las excesivas obturaciones y erosiones
que se presentan tras un corto tiempo de operación.
En calderas que queman aceites y gases, con frecuencia se presentan fallos debidos a la aparición
de grietas en el extremo libre de las aletas, que son los puntos más calientes de las mismas, que se propagan
hacia la pared del tubo, llegándose al fallo de la pared tubular que aloja la aleta.
Una disposición de tubos aleteados longitudinalmente dispuestos al tresbolilloXIX.-570
Aletas helicoidales.-
unidades que quemaban carbones, aceites y gases.
Los tubos con aletas helicoidales, Fig XIX.6, se aplicaron con éxito en algunasFig XIX.5- Tubos al tresbolillo con aletas longitudinales
La aleta helicoidal consiste en una hélice de paso reducido, y se utiliza en unidades que queman gases,
debido a la ausencia de ceniza volante, (propia de la combustión del carbón y de algunos aceites).
Las características de estas aletas son: 4 pasos por (“), espesor de 0,060”
0,75”, (19,1 mm); aplicándolas a tubos de 2” de diámetro exterior, se obtiene una superficie termointercambiadora
10 veces mayor que la del tubo desnudo.
÷ 0,075”, (1,5 a 1,9 mm), y alturaFig XIX.6- Tubo con aletas helicoidalles
Cuando se queman aceites pesados o carbones, las hélices tienen un paso mucho mayor ya que hay
que mantener las superficies termointercambiadoras tan limpias como sea posible. Para unidades que
queman aceites, el paso suele ser de 0,5”; con pasos menores se pueden provocar obturaciones, y con
pasos mayores la superficie termointercambiadora se reduce.
Para garantizar la limpieza de las superficies se emplean sopladores y una altura del banco tubular
del orden de 4”
y ofrece menos pérdidas de presión del lado de humos.
÷ 5”= (1,2÷ 1,5 m). La disposición de los tubos en alineación regular facilita la limpiezaAletas anulares de perfil rectangular.-
por la parte exterior del tubo, Fig XIX.7; este tipo de aleta se monta en alineación regular en bancos
de tubos dispuestos horizontalmente, siendo el flujo cruzado de humos vertical descendente. Este tipo de
aletas en economizadores se utiliza en unidades viejas que se han actualizado mediante la modernización
de algunos de sus componentes; el espaciado de aletas varía entre 0,5”
Cada aleta se compone de dos mitades idénticas que se sueldan÷ 1”, y espesor 0,125”.Deflectores.-
y están unidos en sus extremos mediante codos de la misma tubería, en los que no se instalan aletas,
conformando una sección de paso preferencial para los humos. Para evitar que los humos rodeen los
tramos rectos aleteados, que ofrecen una sección de paso más restringida, se disponen tabiques deflectores
que evitan la circulación de humos a través de los codos; también se utilizan en economizadores de
tubos desnudos.
La circulación de los humos a través de los codos (no aleteadas), provoca:
Los bancos de tubos que configuran un economizador tienen sus tramos rectos aleteados- Una reducción de la transferencia de calor en el banco que tiene la superficie ampliada
- Una elevación de la temperatura del cerramiento que limita el volumen en el que está ubicada la superficie termointer-
XIX.-571
cambiadora del economizador
- Una mayor erosión en los codos, cuando se queman carbones altos en cenizas
Fig XIX.7- Tubos en alineación regular con aletas rectangulares
Fig XIX.8- Protección de los codos en haces tubulares aleteados
Límite de velocidades.-
transferencia de calor necesaria, con el mínimo coste posible y máxima velocidad permisible, correspondiente
a la sección mínima de paso de humos.
Cuando se queman combustibles limpios, como gases o aceites con poca ceniza, la velocidad se fija
con la máxima caída de presión permisible desde el punto de vista económico.
En los aceites pesados y aceites con mucha ceniza, al igual que en los carbones, la velocidad de los
humos se limita debido a problemas de erosión derivados de la ceniza volante en polvo en ellos contenida
y arrastrada. La erosión depende del contenido en Al
de ceniza, y de la velocidad máxima de los humos. La Fig XIX.9 presenta varios ejemplos de límites de
velocidad, en función de las características de las cenizas, en base a los siguientes criterios:
El diseño de un economizador radica en lograr en el banco tubular la2O3 y SiO2 que tenga la ceniza, de la cantidad total- Cuando se quema carbón con menos del 20% de materias volátiles, se recomienda una reducción de la velocidad límite
del orden de 5 ft/s (1,5 m/s)
- En los economizadores de calderas con combustores ciclón, en los humos se pueden utilizar velocidades mayores, ya que
éstos contienen menos polvo porque más de un 50% de la ceniza se recoge como escoria fundida, en la parte inferior de la caldera;
en lo que respecta a la erosión, las partículas arrastradas por los humos hacia el economizador resultan menos lesivas.
Para una determinada disposición de los tubos y una carga dada en la unidad, la velocidad de los humos
depende únicamente de su volumen específico, que disminuye cuando baja su temperatura, lo que
conduce a velocidades más bajas y menores transferencias de calor
Para mantener la velocidad de los humos a través de las distintas secciones del economizador, el
banco inferior se diseña con tubos de mayor diámetro, lo que reduce la sección de paso de humos, mejora
la transferencia de calor y requiere menor superficie e inversión.
XIX.-572
Fig XIX.9- Velocidad máxima permisible de humos para economizadores en unidades que queman carbón pulverizado
Otros tipos de economizadores.-
de un economizador de recorrido alargado y vertical (flujo largo), que se utiliza en calderas de recuperación
de plantas químicas.
La Fig XIX.10 representa un tipo de caldera industrial, que disponeFig XIX.10.- Economizador de flujo largo en una caldera de recuperación propia de la industria química
La superficie de calentamiento de los economizadores de flujo largo consta de grupos de tubos verticales,
aleteados longitudinalmente y formando los paneles membrana.
Por el interior de los tubos circula el agua de alimentación, siempre en flujo ascendente, mientras
que los humos lo hacen por el exterior en sentido descendente, en contracorriente; los economizadores de
flujo largo ofrecen siempre una mínima resistencia del lado de los humos.
XIX.-573
En estos bancos la transferencia de calor es menos eficiente que la que corresponde a los bancos de
economizadores con flujos cruzados. Las cenizas se evacuan por medio de tolvas dispuestas en la parte
inferior del cerramiento de la unidad.
Economizadores vaporizadores
del banco tubular del economizador, debe satisfacer la relación:
.- La relación de entalpías que indica la posible vaporización dentroi
( i
2 −i1 ≥ 23sal −ient ), siendo:i
i
i
1 , i2 las entalpías del fluido a la entrada y salida del economizador hacia el calderínsal la entalpía del agua saturada, a la presión de salida del economizadorent la entalpía del agua del ciclo a la entrada del economizador
Estos economizadores pueden resultar económicos en algunas calderas, pero siempre requieren de:
- Un diseño cuidadoso
- Un flujo ascensional
- Una salida a cota inferior a la del calderín de la unidad
impidiéndose así las inestabilidades que se presentan en el flujo del fluido interior del economizador, como
los desequilibrios entre flujos y las diferentes absorciones de calor, en los distintos circuitos individuales.
Las unidades de alta presión con calderín de vapor son muy sensibles a estas causas, cuando la
temperatura del agua del ciclo está muy próxima a la de saturación, correspondiente a la presión de funcionamiento;
para mejorar la circulación, la temperatura del agua de alimentación que va hacia el calderín,
se limita a 50ºF (28ºC) por debajo de la temperatura de saturación correspondiente.
XIX.2.- TRANSFERENCIA TÉRMICA
Tubos desnudos.-
descendente de los humos, y que carece de condiciones de vaporización, el banco tubular se puede considerar
como un termointercambiador ideal, con las siguientes características:
En el economizador de la Fig XIX.3, que tiene circulación ascendente del agua y- El factor de corrección de la LMTD para el banco tubular es la unidad
- Se desprecian el calor absorbido por un cerramiento constituido por paredes de tubos, y el calor de radiación entre tubos,
desde las diversas cavidades
- Toda la energía transportada por los humos se absorbe por el agua, por lo que no hay pérdidas de calor a través de los
cerramientos
- El coeficiente de transferencia de calor en el lado del agua es del orden de
2000 Btu/ft
11.347 W/m
2hºF2K
, y sólo tiene una pequeña
influencia en las características funcionales del economizador
- La influencia de la deposición de ceniza volante en polvo del lado de los humos, se considera mediante un factor de limpieza
basado en la experiencia
La velocidad de transferencia de calor, para bancos de tubos desnudos dispuestos en línea, se limita
del lado de humos; el coeficiente global U de transferencia de calor desde los humos hacia el agua, se estima
mediante la relación:
U
= 0,98 ( hconv+ hrad ) kfsiendo:
k
Coeficiente de convección humos: hconv =
h
0 ,287 G
f el factor de efectividad de la superficie; para gases = 1 ; para aceites = 0,8 ; para carbones = 0,7c( N ) = (0 ,61D
c
0 ,33
0,39 ) (pk 0 ,67μ
*
0 ,28 ) Ψ = hcFpp Fa Ψh
D
4 (
rad, el coeficiente de radiación entre tubos; si se quema carbón hrad = 1,0equiv =ε xε y - 0 ,785D2 )π
, con D diámetro exterior de los tubos y
Dε x , ε y el espaciado entre tubosXIX.-574
Los valores de
*
hc, Fpp , Fa , Ψ , se obtienen de las gráficas IV.12 a IV.16, que reproducimos por comodidadFig IV.12.- Factor de geometría y velocidad para convección básica de humos y aire en flujo transversal
Fig IV.13.- Efecto de la temperatura de película y de la humedad en el factor de propiedades físicas F
para humos en flujo cruzado
Fig IV.14.- Efecto de la temperatura de película y de la humedad en el factor de propiedades físicas Fpp,
para el aire en flujo cruzado
pp,XIX.-575
Fig IV.15.- Factor de disposición Fa según el nº de Re, para disposiciones de tubos alineados para humos o aire en flujo cruzado
Fig IV.16.- Coeficiente de corrección
Ψ según el nº de filas de tubosTubos aleteados.-
de forma similar a los tubos desnudos, utilizando la formulación de las superficies ampliadas. Se
produce un incremento de la transferencia de calor por el lado de humos debido a las aletas, por lo que en
los cálculos hay que incluir éste coeficiente, junto con la resistencia térmica de la pared tubular. Para
aletas en economizadores, el coeficiente global de transmisión de calor es:
Para economizadores con tubos aleteados, las características funcionales se calculanU
= 0,95 hhumos kf , siendo:h
k
gases = 1
aceites = 0,8
carbones = 0,7
humos el coeficiente de transferencia de calor del lado de humos con tubos aleteadosf el factor de efectividad de la superficie; para
Caída de presión del lado de humos
del lado de humos presentada en el economizador, se considera igual a 1,5 veces la resistencia que
corresponde a ese mismo paquete tubular configurado con tubos desnudos.
.- En bancos de tubos aleteados dispuestos en línea, la resistenciaCaída de presión del lado de agua
.- Se calcula por la expresión:Δ
pT = Δproz + Δplocales + Δpalt .estáticaen la que:
Δ
D
proz es la caída de presión por rozamiento = λ Lequivv ( G
10
5 )2v es el volumen específico y G la velocidad másica
Δ
B
T(
1,73.10
10
plocales es la suma de pérdidas locales = ξ 30°F) + 4605 ( G5 )2
que permite evaluar la caída de presión de un flujo de aire o gas, sólo aplicable con unidades inglesas, basada
en el aire que tiene un volumen específico de 25,2 ft
3/lb, a 1000ºR y 30”Hg, con:Δ
B presión barométrica en (“) de agua
plocales caída de presión en (“) de aguaXIX.-576
T temperatura del aire o gas, ºF
G velocidad específica másica, lb/ft
2h.Δ
=
palt.estática la pérdida de altura estáticaρ homg
g
cL sen
θsiendo:
g la aceleración de la gravedad, ft/s
L la longitud en ft, (m)
2 , (m/s2 ) y gc = 32,17 lbmft/s2 lbf , (1 kgm/s2 N)θ
el ángulo formado con la horizontalρ
hom la densidad del fluido homogéneo
La presión de diseño, suma de la de diseño del calderín y de la pérdida total
psig (1,7 bar). Si la caída de presión en el lado del agua es excesiva, para reducirla a un nivel aceptable
se aumenta el número de ramas en paralelo.
Si la velocidad de los humos aumenta, la caída de presión se reduce en el lado del agua, con tubos de
mayor diámetro interior; la puesta al día de materiales permite espesores de tubos menores.
ΔpT, suele ser de unos 25Sistemas soporte del economizador.
tienen, según sea la temperatura de los humos, paredes
- Los economizadores se sitúan dentro de cerramientos quetubulares
de chapas, hasta 850ºF (454ºC)
- Cuando los cerramientos son de chapa, el economizador no se puede soportar en ellas
- Cuando los cerramientos son de paredes de tubos, el economizador sí se puede soportar en ellas
En general, los economizadores están colgados y soportados desde puntos situados por encima del
propio economizador; cuando la temperatura de los humos que salen del economizador es relativamente
baja, se pueden soportar en puntos de cota inferior a la del economizador.
Las Fig XIX.11 a 13 presentan disposiciones típicas de soportes para economizadores con tubos lisos.
Los soportes en paredes exigen que los tubos queden soportados en sus extremos y se eligen para
vanos relativamente cortos, necesitando fundiciones puente u orejetas individuales, soldadas o fijadas a
los cerramientos de las paredes tubulares, Fig XIX.11.
Otra posibilidad consiste en soportar el economizador en sus extremos, si los colectores de la pared
del cerramiento integrada en el circuito de vapor sobrecalentado se encuentran situados por encima del
economizador, Fig XIX.12.
Fig XIX.11.- Soportes de economizador; disposición soporte
en paredes de agua
Fig XIX.12.- Soportes de economizador; disposición soporte
desde el colector
Cuando los vanos del banco tubular son grandes, los soportes tirante toman los tubos por los puntos
situados a 1/4 de la longitud tubular, medida a partir de los extremos, Fig XIX.13.
Los soportes se unen mecánicamente a los tubos individuales o a las secciones del economizador,
XIX.-577
quedando expuestos al flujo de humos que entra en el economizador, cuya temperatura obliga a diseñarlos
con acero inoxidable. Para los tirantes que soportan las secciones más bajas del economizador, expuestos
a temperaturas más moderadas en el flujo de humos, se emplean materiales de calidad inferior.
Fig XIX.13.- Soportes de economizador; disposición soporte tirante
Tamaño del banco tubular.-
Se encuentra limitado por una serie de condiciones, como:- El tipo de combustible (sólido, líquido o gas) plantea, desde punto de vista de la limpieza, situaciones diversas
- Penetración que pueden lograr los sopladores en el banco, desde el punto de vista de la limpieza
- Límites de fabricación, en peso y dimensiones, a tener en cuenta en el taller y en la construcción de la planta
- Dimensiones máximas para el transporte, condicionadas por la ruta a seguir durante el desplazamiento del equipo,
desde la fábrica al lugar de emplazamiento de la planta
- Consideraciones sobre el coste del mantenimiento
En calderas nuevas, es raro encontrar profundidades de banco que superen los 6 ft (1,82 m).
En el caso de modernización de unidades se admiten bancos con profundidades mucho mayores.
Necesidades de acceso.-
de huecos para:
Alrededor de los bancos tubulares del economizador, se necesitan una serie- Realizar soldaduras durante la construcción en el lugar de emplazamiento
- Facilitar los trabajos de mantenimiento en cada una de las diferentes ramas tubulares individuales
- Disponer del espacio requerido por los sopladores durante el servicio de la unidad
Para acceder a los distintos huecos hay que situar un número suficiente de puertas de acceso en las
paredes del cerramiento. El acceso a un determinado hueco debe tener una altura mínima de 2 ft (0,6
m), y se puede acceder al mismo desde:
- El exterior del recinto que limita el cerramiento, a través de una puerta individual
- El interior, mediante aberturas especiales practicadas a través de los tirantes o de los bastidores de colectores
Colectores.-
por uno o ambos extremos; es necesario sellar la penetración de las tuberías de entrada y salida del
agua, por medio de juntas abrazadera flexibles, sobre todo en el caso de unidades de tiro presurizado.
Otras consideraciones son:
Los colectores de entrada se sitúan en el interior del flujo de humos, y reciben el aguaLa flexibilidad de las ramas tubulares
Las expansiones diferenciales
Los desequilibrios y perturbaciones en la temperatura de los humos
Los colectores de salida reciben el agua de alimentación calentada y la dirigen hacia el calderín, o
hacia los tubos bajantes que alimentan los diversos circuitos de las paredes del hogar en el caso de calderas
de proceso directo o de paso único.
Los colectores de entrada y salida deben ser lo suficientemente grandes, para asegurar la distribu-
XIX.-578
ción del flujo de agua entre las diversas secciones de los bancos tubulares. La velocidad del agua en los
economizadores no supera los 20 ft/s (6 m/s).
Ligaduras contra vibraciones.-
entrelazado de tubos y de estructuras y resultan imprescindibles para algunas secciones del economizador,
especialmente si están soportadas por sus extremos.
Las ligaduras son necesarias cuando las frecuencias naturales (dentro de la gama de cargas de la
caldera), están próximas a la frecuencia propia vorticial de derrame, o entran en resonancia.
Los tubos tirante están sometidos a vibraciones diversas, por estar inmersos en el flujo de humos,
que es un fenómeno esencialmente vibratorio.
Hay que tener en cuenta que los tubos tirante ven amplificada la posibilidad de vibración, debido a
su gran longitud, entre los grandes huecos existentes bajo el techo del paso de convección y los puntos de
aplicación de las cargas a soportar.
Son enlaces mecánicos no absolutamente rígidos; consisten en unConsideraciones geométricas.-
Los diámetros de tubos para economizadores están comprendidos entre1,75" a 2,50"
44,5 a 65,5 mm
. Los diámetros que caen fuera de este intervalo se usan en casos de reequipamiento
de unidades en proceso de modernización.
En calderas supercríticas de proceso directo se emplean tubos de menor diámetro, porque con circulación
forzada la caída de presión tiene menos importancia; en estas unidades se minimiza el espesor
correspondiente a la pared tubular.
El código ASME requiere que la temperatura de diseño de las partes a presión que se encuentran
dentro de la unidad generadora de vapor, sea igual o superior a 700ºF (371ºC); la temperatura media de
la pared tubular en el economizador, rara vez llega a esa valor, estando entre 10
debajo de la del fluido, que no suele pasar de 650ºF (343ºC) a lo largo del circuito del economizador.
En las calderas que queman carbón, el espaciado transversal entre tubos se elige de acuerdo con la
velocidad y resistencia máximas admitidas en el lado de humos, que son parámetros que dependen del
tamaño de los tubos.
Si se usan superficies ampliadas, los espaciados laterales y verticales deben permitir una separación
entre aletas de 0,5”(13 mm).
Para tubos lisos conviene un espaciado con holgura mínima de 0,75”(19 mm).
El espaciado mínimo vertical de los tubos debe ser 1,25 veces el diámetro exterior de los tubos.
÷ 20ºF = (6÷ 12ºC) por- Si éste espaciado es menor, la transferencia de calor se puede reducir hasta un 30%.
- Si éste espaciado es mayor la transferencia de calor queda poco afectada, aumentando la profundidad del banco y la
resistencia en el lado de humos
XIX.3.- CALENTADORES DE AIRE
Los calentadores de aire se utilizan para calentar el
en las plantas generadoras de vapor. Los humos constituyen la fuente energética, y el calentador
recoge y utiliza el calor residual de los mismos, lo que incrementa la eficiencia global de la caldera un
5
extracción de una turbina, dependiendo de la aplicación particular de que se trate.
Los calentadores de aire están ubicados detrás de la caldera, aguas debajo de la misma, (en el flujo
de humos), en donde se reciben los humos calientes procedentes del economizador y el aire procedente
del ventilador de tiro forzado.
El aire caliente que sale de los calentadores de aire mejora la combustión, con cualquier tipo de com-
airecomburente y mejorar el proceso de la combustión÷ 10%. Los calentadores de aire pueden utilizar otras fuentes térmicas, como el vapor procedente de laXIX.-579
bustible; además, en las unidades que queman carbón pulverizado se emplea para el secado y transporte
del combustible molido.
CLASIFICACIÓN.-
en dos grandes grupos:
Según su principio operativo en el proceso de transferencia de calor, se clasifican- Recuperativos, en los que la transferencia de calor se verifica de forma directa y continua, a través de la pared que separa
los fluidos, lo que garantiza la permanente separación de los flujos que intervienen en el proceso de intercambio térmico.
- Regenerativos, en los que la transferencia de calor es indirecta, haciendo uso de un medio que se expone, alternativamente,
al fluido calefactor (para tomar su energía térmica) y al fluido a calentar (para cedérsela).
a) Calentadores de aire recuperativos
térmico, que garantiza la separación de los flujos de humos y aire que llegan al calentador;
esta superficie puede estar conformada por:
.- El calor se transfiere a través de una superficie de intercambio- Un determinado conjunto de tubos, cuya superficie global es la del calentador de aire para el intercambio calorífico
- Un conjunto de placas paralelas que canalizan, por separado, los dos fluidos que intervienen en el proceso
Algunos intercambiadores de calor recuperativos operan con una pequeña contaminación por fuga
entre los fluidos presentes; como la presión del aire es mayor que la de los humos (p
es del aire hacia éstos.
aire > phumos), la fugaCalentadores tubulares de acero.-
circulan por el interior de los tubos, al aire que circula por su exterior.
La unidad consta de tubos rectos soldados a placas tubulares, en el interior de una carcasa de acero
que sirve de cerramiento para el aire que circula por el exterior de los tubos, y que contiene las aberturas
de entrada y salida del aire y de los humos.
En el calentador tubular vertical de la Fig XIX.14, los tubos se soportan desde la placa tubular superior,
y se apoyan en la placa tubular inferior. En cualquier caso, una de las placas tubulares debe ser
flotante, para que se pueda mover libremente por la acción de las dilataciones de los tubos.
La energía térmica se transfiere desde los humos calientes queFig XIX.14.- Calentador de aire tubular, de tipo vertical
XIX.-580
Para garantizar la estanqueidad (ausencia de fugas de cualquier clase) y en particular las de un
fluido al otro (aire hacia humo), es indispensable colocar entre la placa flotante y la carcasa del calentador,
una junta de expansión estanca que es la carcasa de cerramiento.
Frecuentemente se utilizan placas deflectoras dispuestas paralelamente a las placas tubulares, con
el fin de:
Separar los diversos recorridos parciales del aire exterior a los tubos
Evitar daños a los tubos, originados por vibraciones inducidas por el flujo de aire exterior
Los tubos son de acero al C, o de baja aleación resistente a la corrosión.
El diámetro de los tubos varía entre
1,5" a 4"
38 a 100 mm
, con espesores entre
0,049" a 0,120"
1,24 a 3,05 mm
.
Cuando hay riesgos de corrosión y obstrucción de tubos, se utilizan diámetros y espesores superiores
a los indicados.
La disposición tubular puede ser en línea o al tresbolillo, siendo esta última la más eficiente. La
configuración de flujos normal es en contracorriente, con circulación vertical de humos por el interior de
los tubos, y circulación horizontal de aire por uno o más pasos por el exterior de los tubos, existiendo una
amplia variedad de disposiciones de pasos simples o múltiples, lo mismo del lado de humo que del lado del
aire, para poderse adaptar a las diferentes configuraciones que requieren las plantas energéticas.
Para controlar la corrosión en el lado frío del calentador y el ensuciamiento por ceniza volante en
polvo, los diseños incluyen un bipaso de aire frío o una recirculación de aire caliente, Fig XIX.15.
Tres pasos aire en equicorriente,
humo descendente
Tres pasos aire en contracorriente,
humo ascendente
Dos pasos aire en contracorriente,
humo ascendente
Un paso aire en contracorriente,
humo ascendente y descendente
Un paso aire en contracorriente,
humo descendente y ascendente
Fig XIX.15.- Algunas disposiciones de calentadores tubulares de aire
Calentadores tubulares de fundición.-
termoeléctricas; su empleo está justificado por su alta resistencia a la corrosión.
Los tubos son de sección rectangular, tienen una costura soldada longitudinalmente, y se fabrican a
partir de chapas de hierro fundido; se disponen con un solo paso del lado de humos, y con varios pasos en
el lado del aire, circulando éste por el interior de los tubos del calentador.
La transferencia de calor se maximiza con aletas, en el lado de aire, y en el lado de humos.
Se utilizan en la industria petroquímica, y muy poco en centralesXIX.-581
Calentadores de chapas.-
y transfieren el calor, en flujos cruzados, desde los humos
calientes que fluyen por un lado de la chapa, al aire frío que fluye
por el otro lado. El sellado entre los flujos de aire y humos se obtiene
por soldadura de los bordes de las chapas, o mediante una
junta, muelle y compresión externa de las baterías de chapas.
La Fig XIX.16 representa un calentador de aire de chapas de
acero, con un paso único del lado de humos y dos pasos del lado
de aire. Para una determinada capacidad, los calentadores de
aire modernos son de menor volumen que los tubulares y presentan
mínimas fugas desde el aire hacia los humos.
Constan de baterías de chapas en paraleloCalentadores con serpentines de vapor-agua.-
de aire recuperativos con
generadores de vapor para precalentar el
termoeléctricas
Los calentadores con
exteriormente aleteados, dispuestos horizontal o verticalmente dentro del conducto de aire que va desde
el ventilador de tiro forzado que impulsa el
El
de extracción del ciclo o con agua de alimentación, circulando siempre estos fluidos por el interior de los
tubos. Algunas veces se utiliza como fluido calefactor un anticongelante (etilenoglicol), con el fin de evitar
congelaciones en los períodos en los que la unidad se encuentra fuera de servicio.
El precalentamiento del aire reduce la corrosión y posibles obstrucciones en el lado frío del calentador
del
que existen para el calentamiento del
Los calentadoresserpentines de vapor, se utilizan en losairecomburente en plantasserpentines de vapor-agua constan de un banco de tubos de pequeño diámetro,airecomburente, hasta el calentador principal del aire.airecomburente circula, en flujo cruzado, por el exterior de los tubos, y se calienta mediante vaporairecomburente. Estos precalentadores, en muchas centrales térmicas, suelen ser los únicos componentesairecomburente de la unidad.Calentadores con tubos isotermos.-
de aire para la generación de vapor, consiste en un tubo, en el que se ha hecho un vacío parcial, rellenado
con un fluido de trabajo apropiado para la realización de la transferencia térmica, Fig XIX.17.
El tubo isotermo de tipo termosifón, utilizado en los calentadoresFig XIX.17.- Tubo isotermo
El extremo vaporizador del tubo isotermo se expone a los humos calientes y el otro extremo, que
hace de condensador, se coloca en el disipador térmico (
de los humos calientes evapora el fluido que se desplaza hacia la zona de
de trabajo libera su calor, condensa, y retorna por gravedad hacia el extremo vaporizador inferior.
airecomburente frío). El calor absorbido procedenteairecomburente; cuando el fluidoXIX.-582
Fig XIX.16.- Calentador de aire de chapas,
con un paso de humos y dos de aire
La circulación del fluido dentro del tubo es continua siempre que exista una diferencia de temperaturas
entre los extremos vaporizador y condensador del tubo; el fluido es prácticamente isotermo, y su
temperatura se aproxima a la media entre la del aire y la de los humos.
Los tubos isotermos operan con el extremo vaporizador a menor cota que el extremo condensador,
por lo que tienen una ligera inclinación respecto a la horizontal. La superficie interior de estos tubos es
rugosa lo que favorece la circulación del fluido interno y la exterior es aleteada, para incrementar el área
de intercambio térmico.
Los calentadores de aire con tubos isotermos se disponen en bancos paralelos. La mitad de la longitud
de los tubos se expone al flujo de humos, y la otra mitad al del aire.
Mediante una placa divisora se separan los flujos de aire y de humos y se soporta el banco tubular.
Los bancos de tubos isotermos se pueden combinar y encerrar dentro de carcasas, para lograr calentadores
de aire que se puedan acoplar a una extensa variedad de configuraciones.
Para aplicaciones con humos sucios, como los de la combustión del carbón o del aceite pesado, la
disposición de los bancos con tubos isotermos es regular, mientras que para el gas natural y aceites ligeros
la disposición es al tresbolillo (más eficiente).
Los tubos son de acero al C, de diámetro 2” (51 mm) y longitud de hasta 40 ft (12,2 m).
Incorporan:
3 aletas por 1", (1 aleta por cada 8,5 mm), en el lado de humos
10 aletas por 1", (1 aleta por cada 2,5 mm), en el lado de aire
Los materiales aleados, resistentes a la corrosión, incrementan la vida del lado frío del calentador.
Los calentadores de aire con tubos isotermos tienen menor volumen que los tubulares de acero.
Las fugas del aire hacia humos son mínimas en comparación con las que existen en otros tipos de
calentadores de aire recuperativos.
Debido al comportamiento isotermo de cada tubo, para una temperatura mínima del metal, estas
unidades de calentamiento de aire pueden operar a menor temperatura en el lado de salida de humos en
comparación con otros calentadores tubulares o regenerativos, lo que facilita el que la caldera funcione
con eficiencias mayores y permite reducir la corrosión en el lado frío del calentador de aire.
La compatibilidad del fluido térmico y del material de la pared tubular, es importante. Cualquier incompatibilidad
conduciría a corrosiones internas, con aparición de gases no condensables que reducen:
- La transferencia de calor
- Atacan la integridad del tubo
- Afectan a su presión de trabajo
Cuando los tubos son de acero al C, los fluidos utilizados se componen de hidrocarburos y agua, estando
su temperatura entre
400ºF a 800ºF
204ºC a 427ºC
. Los fluidos basados en el agua no se aceptan, por la posibilidad
de congelación.
Los calentadores de aire con tubos isotermos se utilizan en la industria petroquímica, habiéndose
instalado un cierto número de ellos en plantas termoeléctricas.
b) Calentadores de aire regenerativos.-
de un determinado medio de almacenamiento de calor que, periódica y alternativamente, por rotación o
con dispositivos de válvulas de inversión, se expone a los flujos caliente y frío, utilizándose como medio
de almacenamiento una gran variedad de materiales.
En estas unidades de generadores de vapor de plantas termoeléctricas, se emplean paquetes de
elementos ensamblados, muy tupidos, de chapas de acero corrugado que utilizan la rotación, como procedimiento
para sumergir el medio en los respectivos flujos.
El calor se transfiere indirectamente, ya que disponenXIX.-583
El giro puede ser:
- De las chapas de acero que se exponen sucesivamente a los flujos de aire y humos
- De los conductos de aire y humos, que por medio de unos conductos giratorios dirigen los flujos de aire y humos, atravesando
los elementos estacionarios de la superficie acumuladora del termointercambiador.
Los calentadores de aire de tipo regenerativo son pequeños, y se han utilizado con profusión para
calentar el
Una característica de operación es la cantidad de
a la rotación, que exige siempre una holgura entre las partes móviles y fijas.
airecomburente de las plantas termoeléctricas.airecomburente que fuga hacia el flujo de humos, debidoCalentador Ljungström.-
elementos ensamblados de superficies de caldeo, que gira atravesando los flujos de aire y humos, dispuestos
en contracorriente, Fig XIX.18; el rotor está alojado en una carcasa que tiene conectados a ambos
extremos de sus bases cilíndricas, los conductos de aire y de humos.
El flujo de aire atraviesa la mitad del rotor, y el de humos la otra mitad. Para minimizar las fugas
de aire hacia los humos, y evitar el bipaso del rotor por los flujos de aire y humos, se dispone de cierres
metálicos de láminas axiales, radiales y circunferenciales.
Tiene una carcasa cilíndrica y un rotor que lleva acoplados paquetes deFig XIX.18.- Calentador regenerativo de aire Ljungström
XIX.-584
El eje de giro cuenta con dos cojinetes, uno de empuje superior y otro guía inferior, apoyados en las
vigas soporte superiores e inferiores.
La velocidad del rotor es de 1 y 3 rev/min, y se consigue por medio de un piñón accionado por un motor
eléctrico que engrana en una cremallera que rodea al rotor.
Para poderse acoplar a los diversos sistemas de flujos de aire y humos, se utilizan diseños de eje
vertical y de eje horizontal, siendo los verticales los más comunes.
Calentador de aire Rothemühle
estacionarias, y unos conductos giratorios divergentes, Fig XIX.19. Los elementos de superficie se alojan
y soportan en una carcasa cilíndrica fija (estator); en las bases de ésta gira sincrónicamente una estructura
doble de sectores simétricos, que tienen un eje vertical común.
Unas carcasas fijas rodean el espacio barrido por los conductos divergentes, superior e inferior. El
calor se transfiere cuando ambos flujos en contracorriente atraviesan los elementos de la superficie
acumuladora. El
en ventiladores, y los
.- Utiliza unos elementos de superficies acumuladoras de caloraire circula por el interior de los conductos divergentes, ya que requiere menor potenciahumos por el exterior de los mismos.Fig XIX.19.- Calentador regenerativo de aire Rothemühle
a) Sistema del rotor de Rothemühle®: Elementos de calefacción que rotan y conductos inmóviles
b) Sistema del estator de Rothemühle®: Elementos de calefacción inmóviles y conductos que rotan
Fig XIX.20a.b.- Calentador regenerativo de aire Rothemühle
XIX.-585
Para conseguir mínimas fugas de aire hacia los humos, se emplea un sistema de sellado; los elementos
de estanqueidad son de hierro fundido y van montados en los conductos divergentes.
Las diferencias entre el calentador Rothemühle y el Ljungström, son:
- El Rothemühle tiene una masa giratoria pequeña, del orden del 20% de la total, lo que contribuye a una alta fiabilidad
- El estator permite una distribución uniforme de la carga del calentador sobre un determinado número de puntos de la
periferia, facilitando la transferencia de las cargas de los conductos hacia el acero estructural que soporta la unidad.
- El sistema de sellado de los conductos divergentes se adapta a la curvatura del estator, sin sobrecargar el motor de accionamiento
Superficies calefactoras.-
son disposiciones de dos tipos de chapas metálicas muy compactas, especialmente conformadas.
Cada par de elementos es combinación de una chapa plana y otra ondulada. El objetivo de los perfiles
ondulados es mantener las chapas despegadas, con el fin de ofrecer espacios para:
Los elementos de superficie de acumulación de calor de tipo regenerativo,- Facilitar unos canales de flujo a cada uno de los fluidos operativos
- Maximizar la transferencia de calor incrementando la superficie calefactora
- Lograr el mayor intercambio térmico creando turbulencias en los flujos
El espesor de las placas de acero es el correspondiente a las galgas 26 y 18 = (0,48 y 1,27 mm), y
se encuentran espaciadas entre 0,2”
Con disposiciones compactas, se tienen:
÷ 0,4”= (5÷ 10 mm).- Altos regímenes de transferencia térmica
- Elevada caída de presión
- Gran ensuciamiento
Con espaciados amplios, en los que uno de los elementos es una chapa plana, se obtiene:
- Una transferencia de calor más baja
- Una caída de presión más modesta
- Un reducido ensuciamiento potencial
Cuando se combinan
el perfil
el material con el que está construido
el espesor de la chapa
, se pretende:
- Maximizar la transferencia de calor y minimizar la caída de presión
- Alcanzar una buena limpieza
- Lograr una alta resistencia a la corrosión
Los elementos de la superficie calefactora se apilan y empaquetan en módulos individuales, que se
instalan en el rotor/estator dispuestos en dos o más capas, Fig XIX.21. La capa que se encuentra en el
lado de entrada del aire es la fría, susceptible de corrosión y ensuciamiento, y tiene una profundidad de
12”(300 mm), con el objeto de que se pueda sustituir fácil y económicamente. Para aumentar la resistencia
a la corrosión y mejorar la limpieza, se utilizan chapas con espesores grandes y perfiles abiertos.
Todos los elementos de la capa fría son de acero de baja aleación, resistente a la corrosión; si hay
posibilidad de una elevada corrosión se utilizan aceros revestidos de esmaltes de porcelana. Las capas
intermedia y caliente son más compactas que la fría, y utilizan chapas mucho más delgadas.
Ventajas e inconvenientes de los tipos de superficies calentadoras.-
ventajas e inconvenientes característicos de cada uno de los tipos, Tabla XIX.1.
Se pueden considerar una serie deCaracterísticas funcionales.-
de requisitos relacionados con sus características de funcionamiento, agrupándose respecto:
Los calentadores de aire se diseñan para cumplimentar una serie- El punto de vista térmico
- Las fugas
- Las caídas de presión
XIX.-586
Tabla XIX.1.- Ventajas e inconvenientes de los tipos de superficies calentadoras
Tipo Ventajas Inconvenientes
Recuperativo Fugas pequeñas Grande y pesado
Sin partes móviles Difícil recambio superficie
Fugas pequeñas Difícil limpieza
Isotermo Temperatura mínima del metal alta Restricciones temperatura
Sin partes móviles
Compacto Fugas
Regenerativo Fácil recambio superficies Alto mantenimiento
Riesgo incendio
a) b)
c) d)
a, b) Perfiles de placas caliente e intermedia para carbón, aceite y gas, galgas 26 a 22
c) Perfil de placa fría, aceite pesado y carbón bituminoso, ensuciamiento medio, galga 18
d) Perfil de placa fría, lignito y carbón subbituminoso, ensuciamiento severo, galga 18
Fig XIX.21.- Perfiles de elementos de superficie de calentadores de aire regenerativos
Cualquier deficiencia en estas características de funcionamiento, implica:
- Incrementar los costes de operación de la caldera
- Reducir la carga de la unidad
La característica funcional es el rendimiento térmico del calentador, en el que influyen diversos parámetros
y de ahí la importancia de tener en cuenta los requisitos citados; cuando se trata de verificar el
funcionamiento del calentador de aire, basta con comprobar su rendimiento térmico.
Características térmicas.-
se calcula en la forma:
La supercicie de intercambio térmico de un calentador recuperativoSuperficie de intercambio térmico:
A =
Q
U (LMTD) F
El coeficiente global de transmisión de calor U incluye los coeficientes de convección y radiación, y
los factores de ensuciamiento del lado de humos y del lado de aire, siendo su valor de
3 a 10 Btu/ft
17 a 57 W/m
2 hº F2 º K
.
La eficiencia térmica se caracteriza comparando la temperatura de salida de los humos del calentador,
con el valor que se adoptó en el diseño. La temperatura real de salida de los humos se obtiene a
partir de la temperatura medida, teniendo en cuenta las correcciones debidas a las fugas y las desviaciones
respecto al diseño.
El Código ASME de ensayos de rendimiento, proporciona una ecuación en la que se asume que todas
las fugas se deben al aire entrante, de la forma:
XIX.-587
T
%Fugas
100
C
2 = T2m +pac
pg(T
2m- T1 )en la que:
T
T
T
% Fugas, es el % de aire que interviene en las fugas, respecto a los humos, a la entrada del calentador
c
2 es la temperatura corregida de salida de los humos del calentador de aire2m es la temperatura media de salida del aire1 es la temperatura de entrada del aire al calentadorpa y cpg son los calores específicos del aire y de los humosLa temperatura medida de salida de los humos se corrige debido a las desviaciones, respecto a sus
valores adoptados en el diseño, de algunos parámetros como el flujo másico o las temperaturas de funcionamiento.
Fugas.-
del flujo de humos. Las fugas son indeseables porque:
Son el aire que pasa del lado de aire al de humos, y se mide en lb/h (kg/s), o como un porcentaje- Representan la energía gastada en ventiladores para impulsar el aire que atraviesa la zona de combustión de la caldera
- Pueden reducir la eficiencia térmica del calentador de aire
Las unidades recuperativas comienzan a operar con fugas nulas, pero se presentan al cabo de un
tiempo; con un mantenimiento normal, las fugas en los calentadores de aire recuperativos se pueden
mantener por debajo del 3%. Las fugas en los calentadores de aire están asociadas a los diseños de los
calentadores regenerativos rotativos, siendo de dos tipos:
de holgura
de arrastre
Fugas de holgura.-
lado de humos (a menor presión), a través de las holguras existentes entre las partes móviles y fijas. Se
calculan por medio de la expresión:
Son consecuencia de la mayor presión existente en el lado de aire, que se filtra alFugas ( lb
hora
) ò (
kg
seg
)
= k A 2 gc Δp ρen la que:
k, es el coeficiente de descarga, adimensional (entre 0, 4 y 1)
A, es el área cruzada por el flujo, ft
g
2 (m2 )c = 32,17 lbm.ft/lbf.s2 x 3600 (s/h)2 = 4,17.108 lbm/ lbf.h2 (1 kgm/s2 N)Δ
p, es la presión diferencial a través de la holgura, lb/ft2 (kg/m2 )ρ
, es la densidad del aire de fuga, lb/ft3 (kg/m3 )
Fugas de arrastre.-
del rotor (o del estator), y es directamente proporcional:
Consisten en el aire desplazado hacia el flujo de humos por cada sector compartimental- Al volumen de cada sector
- A la velocidad de rotación de la superficie calefactora del calentador de aire
La
de los cierres, es del 5
punto un sistema de cierres automático que evita el aumento de estas fugas por desgaste, ajustando
durante el funcionamiento de la unidad la holgura entre las partes rotativas y fijas de los cierres.
Otra fuente de aire que pasa hacia los humos, es la infiltración en el flujo de humos de aire del exterior,
debido a que los humos se encuentran a menor presión (depresión) que la atmósfera exterior. Las
entradas de aire se pueden producir a través de grietas y agujeros en la carcasa, en las juntas de expansión
del lado de humos, en las puertas de acceso y en empaquetaduras, siendo algunas veces difíciles de
detectar, especialmente si la fuga es bajo la envolvente y el aislamiento.
fuga de diseño correspondiente a un calentador de aire regenerativo, a consecuencia del desgaste÷ 15%, aumentando con el tiempo de funcionamiento de la unidad. Se ha puesto aXIX.-588
La fuga de aire de un calentador es la diferencia entre los flujos de entrada y salida, del aire y humos,
que se estima a partir de sus velocidades. Como es difícil medir con precisión velocidades en conductos
de gran sección, la fuga del calentador resulta más exacta cuando se basa en el cálculo del peso
de los gases presentes, teniendo en cuenta su análisis, la eficiencia de la caldera y los datos del análisis
del combustible.
Una fuga aproximada del calentador de aire, basada en el análisis de humos a la entrada y salida
del mismo, referidos a base seca, se determina mediante la expresión:
%Fuga =
%O
2 salida- %O2 entrada21 - %O
2salidax
90La fuga medida en el ensayo, antes de compararla con la de diseño, se corrige debido a las desviaciones
existentes entre las condiciones reales y las de diseño, en cuanto a:
- La presión diferencial entre aire y humos, en el lado frío del calentador de aire
- La temperatura del aire frío a la entrada del calentador
Caída de presión.-
caídas de presión se deben:
En calentadores de aire recuperativos, del lado de humos y del lado de aire, las- Al rozamiento del fluido
- A las pérdidas por cambios de sección en las entradas y salidas del calentador de aire
- A las pérdidas por curvas y codos en los conductos de los flujos
En los calentadores de aire regenerativos, la principal causa de fricción radica en la superficie calefactora
de intercambio térmico. A plena carga, los valores típicos están entre
2" a 7"wg
0,5 a 1,7 kPa
.
Las caídas de presión, en el lado de humos y en el de aire, son la diferencia entre las presiones estáticas
manométricas de entrada y salida.
Debido a las posibles desviaciones de flujo y temperatura respecto a las de diseño, hay que corregir
las caídas de presión medidas, antes de proceder a su comparación con los valores de diseño.
Los calentadores de aire requieren mucha atención durante su funcionamiento (mantenimiento), si
las unidades consumen combustibles con altos contenidos de ceniza o de S, en comparación con unidades
que quemen combustibles limpios, como el gas natural.
Corrosión.-
están sujetos a corrosión en el lado frío de los elementos calefactores y de las estructuras más próximas.
En una caldera, parte del SO
para formar vapor de SO
a la del punto de rocío, entre 250
calentador, es de 200ºF, (93ºC), por lo que existe riesgo de corrosión.
Una solución sería operar siempre con temperaturas del metal superiores a la del punto de rocío,
pero se inducen unas pérdidas considerables e inaceptables en el balance térmico de la caldera.
Cuando se queman combustibles que contienen S, la mayoría de los calentadores de aire se diseñan
para operar con una temperatura mínima del metal inferior a la del punto de rocío, porque la eficiencia
que se alcanza compensa los costes que se plantean en el mantenimiento de la instalación, Fig XIX.22 y
23. La temperatura mínima del metal recomendada puede ser inaceptable, cuando se presenta alguna
de las siguientes circunstancias:
Los calentadores de aire que se emplean en unidades que queman combustibles con S,2 producido se convierte en SO3 y éste se combina con la humedad4H2; este vapor condensa en las superficies que tengan temperaturas inferiores÷ 300ºF = (120÷ 150ºC); la temperatura del metal, en el lado frío del- Combustible con excesivo contenido en S
- Temperatura ambiente demasiado baja
- Funcionamiento de la unidad a carga muy reducida
XIX.-589
Estas situaciones implican la utilización de métodos activos y pasivos, para controlar la posible corrosión
en el lado frío del calentador de aire.
Los
métodos activos para elevar la temperatura mínima del metal son:- Precalentamiento del aire de entrada al calentador, mediante precalentadores con serpentines de vapor o de agua
- Bipaso de aire frío, por el que una porción del aire de entrada al calentador le circunvala
- Recirculación de aire caliente, mediante el cual una parte del aire caliente que sale del calentador se lleva a la entrada
de los ventiladores de aire comburente
Los
métodos pasivos de control de la corrosión, comprenden:- Espesores mayores en el lado frío
2
1 mm para las chapas de la superficie regenerativa
÷ 3 mm para tubos
- Materiales de las chapas del lado frío de aleaciones altas o bajas, que tienen una vida doble de la del acero al C
- Revestimientos no metálicos en los elementos del lado frío, como esmaltes de porcelana o teflón, resinas epoxy, etc
- Materiales de las chapas no metálicas, como
extrusiones cerámicas en los regenerativos
tubos de cristal de borosilicio en los tubulares
- Disposición de tubos en el lado frío para calentadores tubulares, que aumenten la temperatura mínima del metal, imprimiendo
mayores velocidades al flujo de humos
Obstrucción y limpieza.-
que circulan los fluidos, provocados por la ceniza en polvo que arrastran los humos y por los productos
de la corrosión. Esto se puede presentar en el lado caliente del calentador, pero lo más normal es que se
desarrolle en el lado frío, en donde las partículas de ceniza en polvo se adhieren a la superficie calefactora
con más facilidad, por estar humedecida con ácido.
La obstrucción incrementa la caída de presión en el calentador, y puede provocar una limitación de
la carga en la unidad generadora de vapor, haciéndola funcionar a una carga menor que la nominal cuando
los ventiladores alcanzan su máxima capacidad.
Hay que controlar y evaluar cualquier material que se deposite en el calentador de aire; para ello se
cuenta con:
La obstrucción es el ensuciamiento y taponamiento de los pasos por los- El sistema de soplado
- El control de temperatura del lado frío
- El diseño de la superficie calefactora
- La limpieza, cuando la unidad esté retirada de servicio o parada
- Los aditivos que se pueden emplear en el hogar
Erosión.-
causa del impacto de las partículas de ceniza en polvo que arrastran los humos a alta velocidad. La erosión
se presenta en zonas próximas a la entrada de humos, que es donde las velocidades resultan máximas,
y en los calentadores regenerativos en áreas junto a las holguras de los cierres, porque la ceniza en
polvo se acelera al pasar por las mismas.
Las consecuencias indeseables de la erosión son:
Las superficies calefactoras y otras partes del calentador de aire pueden sufrir erosión, a- Debilitación estructural
- Reducción de la superficie para la transferencia de calor
- Perforación de componentes y fugas de aire hacia los humos
- Entradas de aire desde el exterior
La intensidad de la erosión es función de:
- La velocidad másica del flujo de humos
- La carga de ceniza en los humos
- La naturaleza física de las partículas de ceniza en polvo
- El ángulo de impacto de las partículas
La erosión se puede controlar:
- Reduciendo la velocidad de los humos
- Eliminando los elementos abrasivos del flujo de humos
- Utilizando materiales sacrificables
- Empleando materiales resistentes a la erosión
XIX.-590
Los calentadores de aire que se vayan a utilizar en unidades con combustibles de ceniza altamente
erosiva, se diseñan para limitar la velocidad a 50 ft/s (15 m/s).
Los conductos de entrada al calentador de aire se diseñan para suprimir altas velocidades; también
hay que diseñar sistemas para eliminar algo de ceniza aguas arriba de los calentadores de aire, como colectores
de polvo, tamices o tolvas estratégicamente situadas.
En el caso de calentadores ya existentes se pueden:
- Instalar deflectores de flujo, que eviten puntualmente altas velocidades locales en el flujo de humos
- Colocar materiales protegidos en las áreas críticas, como aceros y materiales cerámicos resistentes a la abrasión
- Sustituir materiales erosionados por otros más gruesos, que permiten una vida más larga
La erosión en calentadores de aire tubulares se presenta en un tramo de longitud de 1 ft (0,3 m) a
partir de la entrada de humos, como consecuencia de la turbulencia que se crea en éstos al penetrar en
los tubos del calentador.
Para hacer frente a esta erosión, en los extremos de los tubos, se pueden instalar manguitos, o
montar rejillas a la entrada del calentador para rectificar las líneas de flujo.
Incendios.-
su destrucción. El fuego suele empezar cerca del extremo frío, que es donde el
estar atorando los pasos de flujo.
La mayoría de los fuegos ocurren durante la puesta en servicio de la unidad generadora de vapor,
porque el aceite combustible no quemado que se encuentra depositado en las superficies calefactoras
atoradas por la ceniza, igniciona; otras fuentes de riesgo de incendio pueden ser fugas en el sistema de
lubricación de cojinetes o grandes acumulaciones de polvo.
Los incendios se evitan:
En los calentadores de aire son raros, pero de existir pueden ser tan severos que lleven acombustibleinquemado puede- Manteniendo limpio de combustible
- Disponiendo de un ajuste apropiado en el equipo de combustión del generador de vapor
- Soplando el calentador de aire durante la puesta en servicio de la unidad generadora de vapor
- Soplando antes de la retirada de servicio del generador de vapor
inquemado la totalidad del calentador de aireAplicaciones a plantas energéticas.-
en las centrales termoeléctricas de producción de electricidad para mejorar su eficiencia, atender a
diversos tipos de combustión y conseguir la máxima disponibilidad de la unidad.
Las unidades que queman carbón pulverizado requieren de dos flujos de aire caliente:
Los calentadores de aire recuperativos y regenerativos se utilizan- El aire
- El aire
primario suministrado a alta presión para molinossecundario a menor presión, que se envía a quemadoresEl
de forma que:
aireprimario puede ser caliente y frío. El sistema de aireprimario caliente se utiliza en pequeñas unidades- Un tercio del aire
los que se presuriza para pasar luego a los molinos
- El resto del aire
comburente calentado en un segundo calentador, se lleva a los ventiladores de aire primario caliente, encomburente, tras pasar por el calentador de aire, va hacia los quemadoresEl sistema de
flujos de dos ventiladores de
En algunas unidades, el
regenerativo.
Si se utilizan calentadores regenerativos independientes, los calentadores de
aireprimario frío cuenta con dos calentadores de aire independientes, que reciben losaireprimario y de airesecundario (tiro forzado).aireprimario y el airesecundario se calientan en la misma unidad de calentamientoaireprimario tienen elXIX.-591
doble de fugas que los de
por esta razón, para el calentamiento del
mientras que para el calentamiento del
En unidades que queman aceites y gases se emplean calentadores de aire recuperativos y regenerativos.
Independientemente del tipo de combustible, las plantas de gran potencia usan calentadores regenerativos,
porque son de menor tamaño y requieren una inversión global más baja.
Para diferencias de presión superiores a 10 kPa, por ejemplo en lechos fluidificados, se prefieren los
calentadores de tipo recuperativo.
airesecundario, porque operan con una diferencia de presiones aire-humos alta;aireprimario se emplean calentadores de aire recuperativos,airesecundario pueden ser regenerativos.Reducción de los NO
x.- Los sistemas que existen para la reducción de los NOx son:- Actúan sobre la metodología de la combustión
- Realizan el tratamiento o depuración de humos
Los sistemas de tratamiento de humos para la reducción de los NO
humos, el cual reacciona con los NO
x introducen NH3 en el flujo dex de dos formas:Térmicamente, a alta temperatura
En presencia de un catalizador, a baja temperatura
, produciendo
siempre nitrógeno molecular y agua.
El NH
condensan a temperaturas inferiores a los 530ºF (277ºC).
3 reacciona también con algo de SO3 presente en los humos, para formar compuestos queFig XIX.22.- Temperatura mínima de metal en el lado frío de un calentador de aire recuperativo,
cuando se queman combustibles con S
Como los calentadores de aire (refrigeradores de humos), normalmente se encuentran aguas abajo
del equipo de reducción de los NO
por ensuciamiento y creciente corrosión, a temperaturas de
x, sus superficies calefactoras están expuestas a una rápida obstrucción510ºF a 340ºF
266ºC a 171ºC
, por lo que los calentadores
de aire regenerativos se deben diseñar para minimizar estos inconvenientes, en base a:
- Un mínimo de capas de elementos de superficie, para que el atorado entre capas sea el menor posible
- Una superficie colectora de gran espesor, construida con aleaciones resistentes a la corrosión, o recubierta con esmalte
para alargar la vida
- Una superficie con perfiles abiertos, para facilitar la limpieza
- Colocar sopladores en el lado caliente y en el frío
Con estas configuraciones, los calentadores de aire pueden estar en funcionamiento continuo y fiable
durante un año o más, sin tener que acudir al lavado con agua con la unidad fuera de servicio.
Algunos calentadores de aire regenerativos se han modificado para actuar, al mismo tiempo, como
reductores catalíticos selectivos de los NO
x.XIX.-592
Fig XIX.23.- Temperatura mínima de metal en el lado frío de un calentador de aire regenerativo,
cuando se queman combustibles con S
Reducción del SO
(FGD), que eliminan el SO
como la caliza.
En la mayoría de los casos, los humos tratados mediante el sistema (FGD) salen a la temperatura
de saturación,
2.- Para reducir las emisiones de S se utilizan sistemas de desulfuración de humos2 del humo mediante su reacción con la inyección de algunos compuestos,120ºF a 130ºF
49ºC a 54ºC
, antes de entrar en la chimenea, para su dispersión. A veces, los humos
del sistema (FGD) se recalientan hasta 180ºF (82ºC) o más, en las dos situaciones siguientes:
- Cuando exista un conflicto entre la temperatura del punto de rocío y el revestimiento de la chimenea
- Cuando se precise una mayor sustentación del humo (mayor altura térmica), con el fin de mejorar la dispersión del penacho
de la chimenea
Para estas aplicaciones, se utilizan calentadores de aire regenerativos y recuperativos, similares a
los empleados en el calentamiento de aire.
XIX.-593
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