¿Qué son las calderas de tubos de agua?
Una caldera de tubos de agua, también conocida como caldera de tubo de agua o caldera de tubos de agua, es un tipo de caldera que utiliza tubos llenos de agua para generar vapor. Esto es en contraste con una caldera de tubos de fuego que utiliza tubos llenos de gases de combustión para generar vapor. El vapor generado por la caldera puede usarse para una variedad de propósitos, incluyendo generación de energía a través de turbinas de vapor, aplicaciones de procesos industriales y propósitos de calefacción de edificios (calefacción distrital).
Nota - para ayudar a la comprensión y familiarización, este artículo utiliza las diversas formas de tubo de agua, tubos de agua y tubo de agua a lo largo del texto.
Transferencia de Calor a Tubos de Calderas de Tubos de Agua y Tubos de Fuego
Las calderas de tubos de agua son típicamente más eficientes que otros tipos de calderas y también son capaces de generar mayores volúmenes de vapor a presiones y temperaturas de operación más altas; esto las hace ideales para su uso en plantas de energía y otros entornos industriales donde se demanda una mayor capacidad.
En este artículo, exploraremos el funcionamiento de las calderas de tubos de agua empleadas en centrales eléctricas de carbón. Discutiremos los principales sistemas asociados con estas grandes calderas, sus partes principales y cómo podemos usar el vapor para generar energía eléctrica. Sin embargo, puedes aprender más sobre diferentes tipos de calderas y maquinaria de plantas de energía en nuestro Curso en Video de Fundamentos de Ingeniería de Energía.
Caldera de Tubos de Agua
Bueno saber – ‘tubos de agua’ también se escribe ‘tubo de agua’, o ‘tubo de agua’, pero las diferentes variaciones significan lo mismo.
¿Cuáles son las partes principales de una caldera de tubos de agua?
Las partes principales de una caldera de tubos de agua son:
- Tambor de vapor
- Tambor de lodo
- Descendentes
- Ascendentes
- Colectores
- Sobrecalentador (Primario, Secundario, etc.)
- Recalentador (Primario, Secundario, etc.)
- Economizador
- Horno (espacio de combustión)
- Válvula de seguridad
- Ventilador de aire primario
- Ventilador de aire secundario
- Ventilador de escape
- Atemperador
Tuberías y Rutas de Flujo de Caldera de Tubos de Agua
¿Cómo funcionan las calderas de tubos de agua?
El siguiente diagrama muestra la disposición típica de equipos y sistemas asociados con una central eléctrica de carbón; usa el diagrama como referencia a medida que avanzas en este artículo. Es necesario entender todos los sistemas de una central eléctrica para comprender cómo funciona una caldera de tubos de agua.
Diagrama de Sistemas y Equipos de Planta de Energía de Carbón
Sistema de Combustible de Caldera de Tubos de Agua
Antes de que el carbón se alimente a la caldera, se almacena en un patio de carbón, luego se transporta a silios diarios. Los silios diarios típicamente tienen suficiente capacidad para 4-12 horas de operación máxima de la caldera, lo que asegura que la caldera pueda permanecer en servicio incluso si hay un problema con el(los) transportador(es) en el patio de carbón. Los silios diarios alimentan carbón a los pulverizadores de carbón (en inglés americano ‘pulverizadores’).
Pulverizador de Carbón
El propósito de un pulverizador es moler, secar y clasificar el carbón, asegurando que contenga una baja cantidad de humedad y que tenga el tamaño correcto cuando llegue a la caldera. El carbón pulverizado se descarga de los pulverizadores y se transporta neumáticamente a través de tuberías a los quemadores de la caldera.
El carbón pulverizado se rocía en el horno a través de boquillas de quemador, donde se enciende y sufre combustión. Se sopla aire en el horno para asegurar una combustión eficiente. Detrás de los tubos laterales del horno (paredes de agua laterales) hay cajas de viento; el aire se acumula en cada caja de viento antes de entrar en la caldera. Una caja de viento proporciona una pequeña reserva de aire y reduce la probabilidad de pulsación de aire o suministro de aire inconsistente a la caldera. Hay dos sistemas principales de aire asociados con las calderas de tubos de agua, estos son los sistemas de aire primario y aire secundario.
Caja de Viento de Caldera de Tubos de Agua
Sistemas de Aire Primario y Secundario de Caldera de Tubos de Agua
Los sistemas de aire primario y secundario tienen dos funciones separadas.
- Aire primario – controla la cantidad de combustible que se quema.
- Aire secundario – controla la eficiencia del proceso de combustión.
Los ventiladores de aire primario y secundario utilizados en ambos sistemas son típicamente de diseño de ventilador centrífugo, aunque el número y tipo de ventiladores depende del diseño de la caldera. El sistema de aire primario alimenta aire primario a los pulverizadores de carbón, mientras que el sistema de aire secundario suministra aire a las cajas de viento.
Sistema de Aire Primario
El sistema de aire primario controla la cantidad de combustible que se quema. Al ajustar la cantidad de aire primario suministrado, se puede regular la cantidad de carbón alimentado al horno. El aire primario frío entra en el pulverizador de carbón y se mezcla con aire primario caliente para crear una mezcla aire-combustible óptima y temperatura. La mezcla aire-combustible se transporta neumáticamente a través de tubos a los quemadores y al horno.
Sistema de Aire Secundario
El sistema de aire secundario controla la eficiencia del proceso de combustión; suministra aire a las cajas de viento, que distribuyen el aire secundario uniformemente dentro del horno. El sistema de aire secundario ayuda a mantener condiciones óptimas de combustión ajustando la cantidad de aire suministrado en función de los niveles de dióxido de carbono y oxígeno en los gases de escape. Al monitorear la composición de los gases de escape, el sistema de aire secundario puede asegurar que la combustión sea lo más eficiente posible; este proceso se conoce como control de eficiencia de combustión.
Precalentador de Aire
Los precalentadores de aire utilizan los gases de escape de la combustión para calentar el aire primario y secundario antes de que entre en la caldera; este proceso mejora la eficiencia de la caldera al prevenir el enfriamiento continuo de la caldera debido a la introducción de aire frío.
Precalentador de Aire de Caldera de Tubos de Agua
Caldera de Tubos de Agua: Principio de Funcionamiento
Esta sección discute los diversos componentes y sistemas utilizados para convertir agua en vapor dentro de una caldera de tubos de agua. Se discutirán componentes comunes de calderas de tubos de agua como el tambor de vapor, descendentes, ascendentes, tambores de lodo, paredes del horno, colectores y sobrecalentadores.
Flujo a Través de una Caldera de Tubos de Agua
Economizador
El agua de alimentación de la caldera primero entra en la caldera a través del economizador (en inglés americano ‘economizer’), que es un intercambiador de calor tipo serpentina. El agua de la caldera fluye de un lado a otro a través de los tubos del economizador hasta que alcanza la parte superior del intercambiador de calor, donde se descarga al tambor de vapor.
Bueno saber – ‘agua de alimentación’ también se escribe ‘agua de alimentación’ o ‘agua de alimentación’, pero las diferentes variaciones significan lo mismo.
Bueno saber – el agua que ha sido tratada pero aún no ha entrado en la caldera, se clasifica como ‘agua de alimentación’. El agua que está dentro de la caldera, se clasifica como ‘agua de caldera’. El vapor que se ha condensado de nuevo en agua, se clasifica como ‘condensado’. El condensado se convierte en agua de alimentación después de haber sido tratado.
Economizador y Tambor de Vapor de Caldera de Tubos de Agua
Tambor de Vapor, Descendentes y Tambores de Lodo
El tambor de vapor recibe agua de caldera del economizador. El tambor de vapor es largo, de forma cilíndrica y fabricado a partir de placas de metal planas. Debido a la alta presión del sistema de vapor (usualmente aprox. 190 bar/2,755 psi), la temperatura de ebullición del agua es correspondientemente alta (la temperatura de ebullición del agua depende de la presión). El tambor de vapor es responsable de separar el agua y el vapor. El vapor se descarga del tambor de vapor a las turbinas de vapor, mientras que el agua se recircula en la caldera hasta que se convierte en vapor.
Modelo 3D de Tambor de Vapor de Caldera de Tubos de Agua
El agua relativamente fría del tambor de vapor -con una mayor densidad debido a su menor temperatura- fluye a través de grandes tuberías llamadas descendentes hasta llegar a los tambores de lodo. Los tambores de lodo son colectores de distribución de agua en la base de la caldera. Si la caldera es una caldera de circulación natural, los descendentes conectan el tambor de vapor en la parte superior de la caldera con los tambores de lodo en la parte inferior, sin el uso de una bomba. Si la caldera es una caldera de circulación forzada, se instalará una bomba centrífuga multietapa entre el tambor de vapor y el tambor de lodo. Los descendentes reciben su nombre del hecho de que el agua ‘desciende’ desde el tambor de vapor.
Calderas de Tubos de Agua de Circulación Natural y Forzada
Bueno saber – ‘colectores’ y ‘cabezales’ son dos palabras que a menudo se usan indistintamente. Ambas palabras significan ‘un punto de distribución central que suministra a sistemas más pequeños’.
Normalmente hay seis descendentes en una caldera de tubos de agua, esto asegura un flujo de agua adecuado a los tambores de lodo. Los tambores de lodo están instalados en la base de las paredes del horno y sirven como un punto de recolección para sedimentos y otras impurezas que circulan dentro del sistema. Los tambores de lodo deben abrirse y limpiarse a intervalos programados para eliminar los depósitos acumulados.
Bueno saber – el nombre ‘tambor de lodo’ deriva del material ‘sucio’ que se acumula dentro de los tambores.
Tambores de Lodo de Caldera de Tubos de Agua
Paredes del Horno y Ascendentes
Desde los tambores de lodo, el agua fluye hacia arriba a través de tubos vecinos al horno; estos tubos se llaman ‘ascendentes’ porque el agua está ‘ascendiendo’ al tambor de vapor. El horno está rodeado por ascendentes en los cuatro lados (frontal, trasero y ambos laterales), formando una caja de forma rectangular. Debido a la forma rectangular del horno, y porque los ascendentes están llenos de agua, cada lado de la caldera a menudo se refiere como una ‘pared de agua’.
Construcción de Pared del Horno de Caldera de Tubos de Agua
Los ascendentes tienen un diámetro mucho más pequeño que los descendentes porque su propósito principal es absorber calor, por lo tanto, requieren una gran área de contacto con el horno. Los tubos ascendentes forman la parte evaporadora de la caldera porque la evaporación tiene lugar dentro de los tubos.
Evaporación de Agua Dentro de un Tubo de Caldera de Tubos de Agua
Cuando ocurre la combustión dentro del horno, el calor se transfiere a los ascendentes a través de radiación y convección. La transferencia de calor radiante requiere línea de visión entre la fuente de calor y el receptor, por lo tanto, elementos como el economizador no se calientan mediante calor radiante (porque no hay línea de visión directa entre el combustible en combustión y el economizador).
Conducción, Convección y Radiación
Colectores y Formación de Vapor
A medida que el agua viaja hacia arriba a través de las paredes del horno, absorbe calor y comienza a evaporarse en vapor. En la parte superior del horno, el vapor húmedo (vapor que contiene moléculas de agua suspendidas) se descarga a colectores, luego al tambor de vapor. Normalmente hay cuatro colectores, uno por cada lado de la pared del horno. No toda el agua se evapora en vapor, por lo tanto, el agua también se devuelve al tambor de vapor.
El vapor húmedo y el agua entran en el tambor de vapor, donde deflectores, depuradores y ciclones, separan las moléculas de agua suspendidas del vapor. El vapor saturado seco se descarga del tambor de vapor, es decir, el vapor no contiene moléculas de agua suspendidas.
Componentes del Tambor de Vapor de Caldera de Tubos de Agua
Bueno saber – el vapor es un gas invisible e inodoro. El vapor que la mayoría de las personas visualizan al pensar en vapor es en realidad ‘vapor húmedo’. Si el vapor contiene moléculas de agua suspendidas, se refiere como ‘vapor húmedo’; son estas moléculas de agua suspendidas las que son visibles. Si el vapor no contiene moléculas de agua suspendidas, se refiere como ‘vapor seco’. La sequedad del vapor se mide por su fracción de sequedad (también conocida como ‘calidad del vapor’), con un valor de 0 siendo completamente líquido y 1 siendo completamente seco.
Sobrecalentadores
La cantidad de energía que una turbina de vapor puede extraer del vapor está determinada por la temperatura y presión del vapor. Para aumentar aún más la temperatura del vapor -aumentando así la cantidad de energía disponible para la turbina de vapor-, se envía a través de una serie de sobrecalentadores. El vapor que se calienta por encima de su temperatura de saturación se refiere como ‘vapor sobrecalentado’, esto es lo que ocurre en los sobrecalentadores, y es así como obtuvieron su nombre.
Los sobrecalentadores son intercambiadores de calor fabricados a partir de tuberías similares en diseño a los ascendentes; se clasifican como primarios o secundarios dependiendo de su posición dentro de la caldera. Los sobrecalentadores aumentan la temperatura del vapor, es decir, añaden calor sensible. Los sobrecalentadores no añaden calor latente porque el vapor ya está en fase gaseosa, es decir, no hay cambio de fase mientras el vapor se calienta.
El sobrecalentador primario añade calor al vapor mientras fluye a través de una zona relativamente fría de la caldera, esto previene que el vapor se enfríe y condense antes de llegar a los sobrecalentadores secundarios. El vapor saturado seco fluye hacia el sobrecalentador primario y el vapor sobrecalentado seco fluye hacia afuera!
Sobrecalentadores Primarios y Secundarios de Caldera de Tubos de Agua
Después del sobrecalentador primario, el vapor sobrecalentado seco pasa a dos sobrecalentadores secundarios: el sobrecalentador de placa y el sobrecalentador secundario final. Los sobrecalentadores secundarios están ubicados en regiones más calientes de la caldera, asegurando así que el vapor alcance su temperatura más alta antes de ser descargado de la caldera a las turbinas de vapor de alta presión.
En esta etapa, no hay más flujo a través de la caldera a menos que la caldera sea una caldera de recalentamiento.
Bueno saber – las turbinas de vapor se clasifican según las presiones a las que operan:
- Turbina de vapor de alta presión – la primera turbina que el vapor encuentra después de salir del sobrecalentador secundario final; esta turbina se refiere como la ‘Turbina HP’.
- Turbina de vapor de presión intermedia – la turbina que el vapor encuentra después de salir del sobrecalentador de recalentamiento secundario (si es una caldera de recalentamiento), o, después de salir de la turbina HP. Esta turbina se refiere como la ‘Turbina IP’.
- Turbina de vapor de baja presión – el vapor se entrega desde la turbina IP a la turbina de baja presión a través de una conexión de cruce. Esta turbina se refiere como la ‘Turbina LP’.
Calderas de Recalentamiento
Después de que el vapor sobrecalentado de alta presión seco ha pasado a través de la turbina de vapor de alta presión, se descarga y se envía de regreso a la caldera para recalentamiento. El recalentamiento del vapor ocurre en intercambiadores de calor referidos como ‘recalentadores’, que son similares en diseño a los sobrecalentadores. Al igual que con los sobrecalentadores, los recalentadores también se clasifican como primarios o secundarios dependiendo de su posición dentro de la caldera. Después del recalentamiento, el vapor se descarga a la turbina de vapor de presión intermedia y finalmente a la turbina de vapor de baja presión (que está conectada a través de una tubería de cruce).
No todas las calderas de tubos de agua tienen un ciclo de recalentamiento. El propósito principal de recalentar el vapor es aumentar su temperatura y, en consecuencia, aumentar la energía disponible para la turbina de vapor; el recalentamiento también aumenta la eficiencia térmica general de la planta. Recalentar el vapor reduce la probabilidad de que haya moléculas de agua suspendidas presentes en el vapor, reduciendo así los riesgos de erosión y corrosión de las palas de la turbina.
Recalentador Primario
Un recalentador primario es similar a un sobrecalentador primario (ambos utilizan un diseño de intercambiador de calor tipo serpentina), pero está ubicado en una parte vecina de la caldera. El vapor de la turbina de alta presión se descarga al recalentador primario. A medida que el vapor viaja a través del recalentador primario, se recalienta y luego se descarga al recalentador secundario. La ruta del vapor es bastante intrincada, lo que asegura una transferencia de calor óptima.
Recalentadores de Caldera de Tubos de Agua
Recalentador Secundario
Después de pasar a través del sobrecalentador de recalentamiento primario, el vapor entra en el sobrecalentador de recalentamiento secundario, donde se somete a un calentamiento adicional antes de ser descargado de la caldera a la turbina de presión intermedia.
Sistema de Limpieza de Gases de Escape
El sistema de limpieza de gases de escape trata los gases de combustión generados durante la operación de la caldera.
Bueno saber – ‘gases de combustión’, también se conocen como ‘gases de chimenea’, o ‘gases de combustión’.
Los gases de escape viajan a través de la caldera, pasando sobre intercambiadores de calor (sobrecalentadores, etc.) y otros componentes (precalentador de aire, etc.) a medida que lo hacen. Una vez que los gases de escape han transferido la mayoría de su energía térmica a la caldera, se descargan al sistema de limpieza de gases de escape.
El sistema de limpieza de gases de escape típicamente incluye desulfurizadores de gases de chimenea, y precipitadores electrostáticos o filtros de mangas. El equipo de limpieza de gases de chimenea está diseñado para eliminar contaminantes y material particulado de los gases de chimenea antes de que sean descargados a la atmósfera.
Resumen – Cómo Funciona Todo Junto
- El carbón entra en los silios diarios desde el patio de carbón.
- El carbón se entrega a los pulverizadores, donde se muele, seca y clasifica.
- El carbón pulverizado se transporta neumáticamente a los quemadores de la caldera.
- El carbón se rocía en el horno, donde se enciende y sufre combustión.
- Se sopla aire secundario en el horno para asegurar una combustión eficiente.
- El agua de caldera relativamente fría viaja hacia abajo desde el tambor de vapor a los tambores de lodo a través de los descendentes.
- El agua fluye desde los tambores de lodo hacia arriba a través de los tubos ascendentes vecinos al horno. A medida que el agua fluye hacia arriba, absorbe calor y parte del agua se evapora en vapor.
- El vapor húmedo sale a través de los colectores en la parte superior del horno.
- El vapor húmedo entra en el tambor de vapor, donde se separan las moléculas de agua suspendidas. El vapor saturado seco se descarga del tambor de vapor.
- El vapor seco pasa a través de sobrecalentadores primarios y secundarios para alcanzar su temperatura final (se sobrecalienta durante esta etapa).
- El vapor sobrecalentado seco se descarga de la caldera y ahora puede ser utilizado por las turbinas de vapor para la generación de energía.
- Si se instala un sistema de recalentamiento, el vapor de la turbina de alta presión se devuelve a la caldera para recalentamiento. Si no se instala un sistema de recalentamiento, el vapor se descarga de la turbina de alta presión a las siguientes etapas, es decir, turbinas IP o LP.
Recursos Adicionales
https://en.wikipedia.org/wiki/Water-tube_boiler
https://www.rasmech.com/blog/watertube-boiler-a-complete-overview/
https://testbook.com/mechanical-engineering/water-tube-boilers-definition-diagram-and-applications