Caldera Y Hornos

CIRCULACIÓN.

Es el movimiento del agua, vapor y de la mezcla de ambos dentro de un generador

de vapor acuotubular a través de los tubos calentados, con la finalidad de incrementar la

producción del vapor en comparación de un generador pirotubular. Una circulación

adecuada hace que el fluido enfriador absorba calor desde la superficie metálica del tubo a

una tasa que mantiene la temperatura del tubo a las condiciones de diseño o por debajo de

éstas.

Existen cuatro tipos fundamentales de circulación, su aplicación depende de la

presión, tamaño de la unidad, modo de operación planeado y de la filosofía del fabricante.

1. Circulación Natural.

Es la selección predominante de todos los fabricantes para presiones subcríticas

bajas y medias. En este caso, no se utiliza ningún dispositivo mecánico para provocar el

flujo de agua. En el circuito mostrado en la figura 17, el vapor se forma en el lado de

calentamiento (elevadores). La mezcla fría del lado sin calentar (bajantes), ésta última pesa

más que la mezcla agua-vapor del lado de los elevadores. Lo que implica una diferencia de

densidades entre la columna del bajante y la del elevador.

Esto genera la fuerza que hace mover el fluido dentro del circuito de evaporación. A

esta fuerza se le denomina comúnmente Potencial de Circulación. Para estimar este

potencial se utiliza la expresión:

( D M )

Z

DP = r - r

144

Donde: Z: Diferencia de altura entre el nivel superior e inferior del

fluido en Pies.

rD: Densidad del líquido en el bajante en lbm/pie3.

rM: Densidad media de los elevadores.

La calidad

del vapor en el

tope del sistema

de circulación está

limitada por la

presión de

operación. Ya que

la cantidad de

calor que es capaz

de retirar una

porción de líquido

a medida que se

incrementa la

presión es cada

vez menor. A menor presión se puede llegar a tener mayor calidad sin que se quemen los

tubos. Esto produjo que los investigadores desarrollaran una expresión del “Top Dryness

FIg. 17 esquemas de circulación natural y asistida

22

Fraction” (TDFv por sus siglas en inglés) o fracción de sequedad en el tope, que es una

medida equivalente de la calidad mencionada anteriormente; pero, en forma volumétrica

sólo en función de la presión.

TDFv = 0,8 - 0,000133 (P - 250)

Donde: P: Presión manométrica en la caldera en psi.

Para la determinación de rM se suele asumir que la densidad varía linealmente con

la longitud del tubo, teniendo como extremos la densidad del líquido en el fondo (rM = rD)

y la densidad en el tope (rt). Esta última es establecida por el TDFv. Mientras menor sea la

densidad media (rM) mayor será el potencial de circulación, consecuentemente se podrá

tener mayor caudal y producción de vapor. De lo antes expuesto se obtiene la siguiente

expresión:

.( / 3 )

1

ln

lbm pie

t

W

W

t

W

M r

r

r

r

r

r

- ÷ ÷

ø

ö

ç çè

æ

÷ ÷ø

ö

ç çè

æ

=

La densidad en el tope puede ser obtenida como ya se dijo en función de la fracción

de sequedad del tope:

.( / 3 )

1

lbm pie

TDF V

TDF

W g

V

t ÷

÷

ø

ö

ç ç

è

æ

r =

Donde:

TDFW: Es la fracción de sequedad en el tope, pero por unidad de masa.

( ) (lbmvapor lbmtotal)

V TDF V

TDF V

TDF

g V fg

V f

W . /

- ´

´

=

Donde:

Vf, Vg y Vfg son los volúmenes específicos de líquido, vapor y la

diferencia líquido-vapor, respectivamente, leídos a la presión de

operación.

También resulta útil determinar la Relación de Circulación, la cual representa la

cantidad de agua que es necesario suministrar para obtener una unidad de vapor. Puede

obtenerse mediante la siguiente expresión:

(lbmtotal lbmvapor)

TDF

RC

W

. /

1

=

El producto de la relación de circulación (RC) por la producción de vapor permite

obtener la cantidad de agua a suministrar.

23

÷ ÷ø

ö

ç çè

æ

= ´

tiempo

lbmtotal

m

TDF

m VAPOR

W

H O .

1

2

& &

El potencial de circulación también es igual a las pérdidas en el circuito de tubos

elevadores (DPR), bajantes (DPD) y en el tambor (DPT), cuyo valor se considera,

generalmente, igual a 1. Estableciéndose un equilibrio entre las fuerzas motoras y las

resistencias.

DP = DPR + DPD + DPT

Para la determinación de las pérdidas en tuberías se utiliza la ecuación de Darcy que

establece:

Para bajantes: 5

0.01214 2

d

f L m

P

W

D

D ´

´ ´ ´

D =

r

&

Para elevadores: 5

0.01214 2

d

f L m

P

M

R

R ´

´ ´ ´

D =

r

&

Donde:

f: Factor de fricción (Diagrama de Moody). Generalmente 0,02.

L: Longitud equivalente de tubería recta, en pies.

m& : Flujo de masa, en Lbm/min.

r : Densidad, en Lbm/pie3.

d: Diámetro interno de la tubería, en pulgadas.

§ Cálculo de materiales utilizados:

En general, se utilizan tuberías de acero al carbono para construir los

generadores de vapor; pero éstas no soportan temperaturas muy elev adas, por lo

cual también se utilizan aceros con bajo o alto porcentaje de aleación para resistir

temperaturas hasta 1500 ºF.

Las tuberías pueden especificarse de dos formas:

- Pipe: son principalmente tuberías para transporte de fluidos. Se

especifican por su diámetro nominal -f- y el schedule -SCH- (Ver anexo

c )

- Tube: en este caso existe mayor variedad de espesores de pared, y es por

ello que este tipo de tubería se utiliza fundamentalmente para

transferencia de calor. Se designan por su diámetro exterior -OD- y el

calibre -BWG-.. Para las calderas se recomiendan ciertos diámetros y

espesores segun la tabla __(anexo)

Tanto el schedule, como el calibre reflejan el espesor de pared, a mayor schedule el

espesor de pared es mayor, con los calibres ocurre lo contrario.

24

Para el cálculo del espesor de pared de tubería se utiliza una expresión extraída del

código ASME para recipientes a presión, la misma del código ASA-P311 referente a

tuberías.

C

S Y P

D P

tm +

+ ´

´

=

2( )

Donde:

D: Diámetro exterior.

P: Presión de diseño = 1.1 (Pv-14.7 + Pcolumna líquido)

S: Esfuerzo máximo permisible del material.

Y: Coeficiente de granulometría.

C: Sobreespesor por corrosión.

Para el cálculo del coeficiente Y, es necesario el empleo de la siguiente tabla

Temperatura (ºF)

Material

900< 950 1000 1050 1150³

Ferritico 0.4 0.5 0.7 0.7 0.7

Austenitico 0.4 0.4 0.4 0.4 0.7

Normalmente la tubería para elevadores está en el orden de 2 a 3 pulgadas de

diámetro, mientras que para bajantes se utiliza entre 5 y 8 pulgadas.

Una vez establecido el diámetro, en función del flujo estimado y el espesor mínimo

de pared, se puede entrar en una tabla de diámetros y espesores de fabricación comercial

para verificar la elección. En cuanto al material, su selección depende de su máximo

esfuerzo admisible, así como de consideraciones económicas (precios en el mercado,

existencia, etc.).

Por otro lado, se sabe

que a medida que aumenta la

presión de operación en la

caldera se mejora la

eficiencia térmica; sin

embargo, el aumento de

presión trae el efecto colateral

de que disminuye la

diferencia de densidades entre

el líquido y vapor, como

puede apreciarse en la figura

15. En virtud de que el

potencial de circulación

depende de esta diferencia,

éste disminuye a medida que

Fig.15. Variación de la densidad en función de la presión

25

nos acercamos al punto crítico (3208 psi) donde no

existe diferencia de densidades entre el líquido y el vapor. El inconveniente anterior puede

subsanarse parcialmente incrementando la altura de la caldera, ya que entre mayor sea la

columna, el potencial se incrementará; pero, también aumentan las pérdidas. Esto trae como

consecuencia que sobre los 2800 psi, dependiendo de la carga promedio, la circulación

natural se torna insuficiente y es necesario recurrir a algún sistema de circulación mecánica.

EJEMPLO:

Se tiene un generador de vapor que funciona con circulación

...