Mantenimiento M32

UNIDAD 11

Generadores de Vapor

La generación de vapor para el accionamiento de las turbinas se realiza en instalaciones generadoras comúnmente denominadas calderas.

La instalación comprende no sólo la caldera propiamente dicha, sino, además, componentes principales y accesorios tales como:

 Economizadores y chimeneas.

 Sobrecalentadores y recalentadores.  Quemadores y alimentadores de aire.  Condensadores.

 Bombas y tanques de alimentación.

 Domos.

En la caldera propiamente dicha se produce el calentamiento, la evaporación y posiblemente el recalentamiento y sobrecalentamiento del vapor. La caldera puede incluir en su estructura alguno de los componentes citados.

Las calderas se pueden clasificar según:

a) El pasaje de fluidos, en humotubulares o acuotubulares.

b) El movimiento del agua, de circulación natural o circulación forzada. c) La presión de operación, en subcríticas y supercríticas.

Las calderas primitivas consistían en un gran recipiente lleno de agua que era calentado por un fuego en su parte inferior. El gran volumen de agua en estado de ebullición generaba fácilmente situaciones de gran riesgo al excederse la presión máxima admisible.

Para aumentar la superficie de contacto gas-metal, y disminuir la cantidad de agua en ebullición se crearon

primero las calderas humotubulares, en las que los gases de combustión circulan por tubos inmersos en el agua.

El próximo paso en el desarrollo fue la creación de las calderas acuotubulares, en las que el agua circula por tubos que forman las paredes del hogar. De este modo se maximiza la transferencia de calor y se minimiza el volumen de agua reduciendo el riesgo de explosión.

2. Calderas humotubulares

Son calderas pequeñas, comúnmente utilizadas para producir agua caliente para calefacción y proceso, aunque las hay productoras de vapor de relativamente baja presión (hasta 12 atm).

Fig. 11.1: Caldera humotubular de un paso (Shield).

Las hay de uno o varios pasos de los gases por los tubos, de distintas configuraciones (fondo y/o piso húmedo o refractario, compactas, verticales).

Si bien la limpieza de los tubos de humo es sencilla, requieren buena calidad de agua, pues la limpieza de los tubos en su parte externa ( depósitos calcáreos) es dificultosa.

3. Calderas acuotubulares

Los tubos de agua se unen y conforman para formar el recinto del hogar, llamado de paredes de agua. El recinto posee aberturas para los quemadores y la salida de gases de combustión.

La circulación del agua puede ser natural, debida a la diferencia de densidad entre agua fría y caliente. El agua

en ebullición se acumula en un recipiente llamado domo donde se separa el vapor del agua:

Fig. 11.2: Caldera acuotubular de 2 pasos de humos y circulación natural (Shield).

Estas calderas son económicas por la ausencia de las bombas de líquido pero de baja producción de vapor por la baja velocidad de circulación del agua.

Para obtener mayores caudales de vapor y mayores presiones se utilizan bombas de alimentación de agua, pudiendo operarse incluso por encima del punto critico de la campana de vapor (21.7 Mpa = 220 atm)

La figura siguiente ilustra un circuito típico del tipo Benson. Si se añade una bomba de recirculación, para mover rápidamente el agua en los tubos evaporadores, y un domo para separar el vapor se tiene el tipo Lamont.

Fig 11.3: Caldera tipo Benson (Shield).

4. Ciclos de vapor

El ciclo mas simple de vapor es el de Rankine:

1-2: bomba de alimentación.

2-3: calentamiento de agua a p=cte.

3-4: ebullición a p y T =cte.

Fig. 11.4: Ciclo Rankine simple

4-5: expansión en turbina, maquina de vapor.

5-1: condensación del vapor húmedo.

Este ciclo es inadecuado para turbomaquinas ya que el vapor húmedo (4-5) arrastra gotas de agua que dañan rápidamente los álabes de las turbomaquinas.

Para evitar esto se continúa sobrecalentando el vapor seco a p=cte, lográndose el ciclo Rankine con sobrecalentamiento o ciclo Hirn:

Fig. 11.5: Ciclo Hirn

Obtenido esto el circuito típico seria el de la figura:

Fig. 11.6: Generador de vapor típico. Para maximizar el trabajo útil 4’-5 se pueden intentar diversos métodos:

a. Aumentar la p de operación (energía de la bomba, materiales)

b. Aumentar la T de sobrecalentamiento (materiales)

c. Recalentar

d. Reducir la presión del condensador.

El ciclo con recalentamiento consiste en extraer vapor de etapas intermedias de la turbina y volver a calentarlo a p=cte en la caldera:

Fig. 11.7: Ciclo Hirn con recalentamiento

Con esto se logra un mayor salto entálpico sin exceder los límites impuestos por los materiales.

La presión de condensación es fundamental

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