¿Qué es un tambor de vapor de caldera?
Las calderas acuotubulares utilizan tambores de vapor para garantizar que el vapor suministrado a los consumidores sea 'puro' (libre de impurezas y humedad). Los tambores de vapor de calderas acuotubulares están ubicados en la parte superior de la caldera, por encima de todas las demás partes de la caldera. El tambor de vapor se caracteriza por su forma cilíndrica y alargada, y generalmente está hecho de placa de acero gruesa para soportar las altas presiones y temperaturas a las que opera. Un tambor de vapor puede tener hasta dos metros de diámetro y 30 metros de longitud.
Es importante saber - hay varias formas de escribir 'acuatubular', 'acua-tubular' o 'acua tubular', pero el significado es el mismo. Lo mismo ocurre con 'pirotubular', 'pírotubular' y 'pírotubular', por ejemplo, caldera pirotubular. Los tubos de agua contienen agua, mientras que los tubos de fuego contienen gases de escape (de ahí que también se llamen 'calderas de tubos de humo').
Es importante saber - las calderas pirotubulares son calderas de baja presión. Las calderas acuotubulares se utilizan en centrales eléctricas porque pueden suministrar una gran cantidad de vapor, a alta temperatura y alta presión. Las calderas pirotubulares están limitadas en tamaño debido a su diseño de cáscara de caldera (vea nuestro artículo sobre calderas pirotubulares para más detalles).
Posición del Tambor de Vapor de Caldera Acuotubular
¿Cuáles son las funciones principales de un tambor de vapor?
Un tambor de vapor tiene tres funciones principales:
- Su propósito principal es proporcionar vapor puro y seco a los consumidores aguas abajo, como sobrecalentadores y turbinas de vapor. El tambor de vapor asegura que no llegue humedad (gotas de agua) o vapor húmedo a estos componentes aguas abajo, asegurando así que no se dañen por problemas como arrastre, golpe de ariete y corrosión excesiva.
- Los tambores de vapor también actúan como un reservorio, manteniendo una pequeña cantidad de agua saturada para abordar las fluctuaciones en la demanda de vapor dentro del sistema de caldera.
- El tratamiento del agua ocurre dentro del tambor de vapor. Por ejemplo, la mezcla de productos químicos para el tratamiento interno de la caldera ocurre dentro del tambor de vapor, al igual que la purga (un proceso utilizado para controlar las propiedades del agua como los sólidos suspendidos totales (TSS) y los sólidos disueltos totales (TDS)).
Esquema de Caldera Acuotubular
¿Cuáles son las partes principales de un tambor de vapor de caldera acuotubular?
A continuación se proporciona una descripción detallada de las partes principales de un tambor de vapor. Es importante tener en cuenta las siguientes definiciones:
- Agua de alimentación - agua que ha sido tratada, pero que aún no ha ingresado a la caldera.
- Agua de caldera - agua que está dentro de la caldera (incluido el tambor de vapor).
- Condensado - vapor que se ha condensado de nuevo en agua. El condensado se convierte nuevamente en agua de alimentación después de ser tratado.
Para aprender sobre los caminos de flujo de agua y vapor alrededor de una caldera acuotubular, vea nuestro artículo sobre calderas acuotubulares. También puede aprender más sobre los diferentes tipos de calderas y todas sus partes (colector de vapor, pared del horno, etc.) en nuestro Curso de Video de Fundamentos de Ingeniería de Potencia.
Partes del Tambor de Vapor de Caldera
- Entrada de Agua de Alimentación: La tubería de agua de alimentación, que abarca toda la longitud del tambor de vapor, distribuye uniformemente el agua de alimentación dentro del tambor. El agua de alimentación se introduce en el tambor a través de agujeros espaciados uniformemente dentro de la tubería, asegurando una distribución uniforme a lo largo de la longitud del tambor.
Es importante saber - 'agua de alimentación' también se escribe 'agua de alimentación' o 'agua-de-alimentación', pero el significado es el mismo.
- Bajantes y Elevadores: Los bajantes distribuyen el agua de caldera desde el tambor de vapor hasta los tambores de lodo en la base de las paredes del horno. A medida que el agua se calienta, sube dentro de las paredes del horno debido a su cambio de densidad (los fluidos más calientes son menos densos), transformándose en una mezcla de agua-vapor a medida que lo hace. La mezcla de agua-vapor luego regresa al tambor de vapor a través de los colectores de vapor.
Es importante saber - los bajantes tienen un diámetro mayor que los elevadores y son menos numerosos. Un tubo elevador tiene un diámetro menor porque esto aumenta su tasa de transferencia de calor, mientras que esto no es un requisito para un tubo bajante. Tanto los elevadores como los bajantes generalmente se fabrican con tuberías de acero al carbono sin costura.
Es importante saber - los elevadores a veces se denominan 'tubos elevadores' o 'tubos de elevación'. De manera similar, los bajantes a veces se denominan 'tubos bajantes' o 'tubos de bajada'.
- Salida de Vapor Saturado: Una vez que el vapor está adecuadamente puro y seco, se descarga a través de tuberías de descarga de vapor ubicadas en la parte superior del tambor de vapor. El vapor descargado es calentado por sobrecalentadores para aumentar su temperatura antes de ser dirigido a su consumidor final, como una turbina de vapor. Es importante notar que el vapor saturado se descarga del tambor de vapor, pero se convierte en vapor sobrecalentado una vez que ha pasado por los sobrecalentadores; esto reduce la probabilidad de que se formen gotas de agua en el vapor. La salida de vapor de una caldera acuotubular puede ser considerable, a veces más de 350 kg/s (771 lb/s), con el sistema de caldera potencialmente operando a más de 190 bar (2,755 psi) y más de 500°C (932°F),
Es importante saber - los sobrecalentadores añaden calor sensible al vapor. El calor sensible aumenta la temperatura del vapor, pero no cambia su estado/fase, es decir, no hay cambio de estado de agua a vapor o viceversa. El calor latente es la energía añadida o eliminada durante un cambio de estado, es decir, durante el proceso de condensación o evaporación, pero este cambio de energía no causa ningún cambio de temperatura.
Internos del Tambor de Vapor
- Línea de Dosificación de Productos Químicos: La línea de dosificación de productos químicos introduce productos químicos en la caldera. Estos productos químicos, distribuidos uniformemente a lo largo de la longitud del tambor de vapor, reducen la probabilidad de corrosión, acumulación de incrustaciones y otros problemas potenciales dentro del sistema de caldera. El entorno turbulento dentro del tambor de vapor ayuda con la mezcla de estos productos químicos.
- Línea de Purga Continua (CBL): Para regular la concentración de productos químicos dentro de la caldera, la línea de purga continua elimina constantemente una porción del agua de caldera. Este proceso es vital ya que la evaporación del agua puede llevar a una acumulación de productos químicos no evaporativos, aumentando así el número de sólidos disueltos totales (TDS).
- Monitoreo del Nivel de Agua: La línea azul indicada dentro del tambor de vapor representa la línea de agua de operación normal (NOWL o NWL), a veces también llamada 'línea de agua normal'. Los orificios de instrumentación en el tambor de vapor acomodan indicadores de nivel de agua como sensores de nivel y vidrios de nivel, así como sensores de presión y sensores de temperatura. Estos instrumentos ayudan a asegurar que el nivel de agua del tambor permanezca dentro de los límites definidos. Vea nuestro artículo sobre control de nivel de tambor para obtener más información sobre cómo se mantiene el nivel de agua dentro de una caldera acuotubular.
Separadores de vapor - el agua y el vapor se separan dentro del tambor de vapor utilizando los siguientes métodos:
- Separación Centrífuga: La mezcla de agua-vapor, al entrar en el tambor, pasa a través de un separador centrífugo. Este dispositivo utiliza el principio de fuerza centrífuga para separar parte del agua del vapor.
- Separación por Gravedad y Densidad: Las moléculas de agua más densas se asientan naturalmente en la base del tambor de vapor debido a las fuerzas gravitacionales.
Es importante saber - una diferencia de densidad dentro de un fluido siempre se crea cuando hay una diferencia de temperatura, esta es la base para la convección natural.
- Camino de Flujo Tortuoso: El vapor semi-limpio luego pasa a través de un depurador ubicado en la parte superior del tambor de vapor; esto proporciona un camino de flujo tortuoso. Este camino hace que las moléculas de agua choquen con las superficies del depurador, donde se coalescen en gotas más grandes y caen de nuevo en el tambor. El depurador, generalmente hecho de pantallas de malla metálica prensadas juntas, a veces se denomina secador de chevron o desempañador, y asegura que más del 99.5% del agua se separe del vapor.
Hinchazón y Contracción en Tambores de Vapor
Las fluctuaciones de presión repentinas juegan un papel en el comportamiento del agua y el vapor dentro de un tambor de vapor. Hay dos problemas principales que las fluctuaciones de presión causan: hinchazón y contracción.
- Hinchazón - hay una demanda repentina de vapor alto, causando una disminución de presión dentro del tambor de vapor, y esto hace que el nivel de agua suba. El aumento en el nivel de agua ocurre porque las burbujas de vapor suspendidas en el agua se expanden (aumentan en volumen) a medida que la presión del tambor disminuye, lo que hace que el nivel de agua suba. En una caldera de control de un solo elemento simple, la válvula automática de entrada de agua de alimentación se cierra en respuesta al aumento del nivel de agua, lo que efectivamente significa que el agua alimentada a la caldera ha disminuido aunque el consumo de vapor ha aumentado (una situación peligrosa si no se corrige).
- Contracción - por el contrario, cuando hay una reducción repentina en la demanda de vapor, la presión del tambor de vapor aumenta, causando que las burbujas de vapor suspendidas disminuyan en volumen y el nivel de agua disminuya. La válvula automática de entrada de agua de alimentación se abre en respuesta a la disminución del nivel de agua, causando una reducción aún mayor del nivel de agua. Esto ocurre porque el agua relativamente fría que entra en el tambor de vapor enfría el agua y las burbujas de vapor, causando que las burbujas de vapor colapsen.
Las fluctuaciones en la presión, y la expansión o contracción subsiguiente que causa, pueden afectar considerablemente el nivel de agua de un tambor de vapor. Si no se gestionan adecuadamente, estos cambios pueden llevar a un arrastre de agua a los sobrecalentadores y turbinas de vapor, arriesgando daños e ineficiencias. Si el nivel de agua disminuye debido a la contracción térmica, las superficies de transferencia de calor de la caldera (tubos de caldera etc.) pueden no recibir suficiente agua y podrían sobrecalentarse, poniendo en riesgo la integridad de la caldera.
Control de Tres Elementos del Tambor de Vapor
Hay muchos factores que pueden afectar el nivel de agua dentro de un tambor de vapor. El nivel de agua debe mantenerse dentro de límites definidos en todo momento para asegurar la operación segura de la caldera, su operación eficiente y la protección de los componentes aguas abajo. Para asegurar lecturas precisas del nivel del tambor, el sistema de caldera emplea un método conocido como control de tres elementos. El control de tres elementos mide:
- Salida de flujo de vapor.
- Entrada de flujo de agua de alimentación.
- Presión del tambor de vapor.
- Nivel real de agua dentro del tambor de vapor.
Control de Tres Elementos
Estos factores ayudan a determinar el balance de masa de la caldera (lo que se ha introducido en la caldera en comparación con lo que ha salido). Al considerar todos estos factores, el sistema puede determinar con precisión el nivel de agua, teniendo en cuenta las posibles discrepancias causadas por cambios de presión. Puede aprender más sobre el control de un solo elemento, el control de dos elementos y el control de tres elementos en nuestro Curso de Video de Fundamentos de Ingeniería de Potencia.
¿Cuál es la diferencia entre un tambor de vapor y un tambor de lodo?
Los tambores de vapor están ubicados en la parte superior de la caldera, mientras que los tambores de lodo (o tambor de lodo) están ubicados en el punto más bajo de la caldera. El nombre 'tambor de lodo' deriva del material sucio ('lodo') que se acumula dentro de los tambores.
Recursos Adicionales
https://boilersinfo.com/boiler-steam-drum-internals-function/
https://www.rasmech.com/blog/steam-drum-101-boiler-basics/
https://www.processindustryinformer.com/optimising-boiler-and-steam-drum-level-control/
https://www.vega.com/en/company/blog/2020/steam-boiler-drum-level-measurement-technology-comparison