Calderas de Tubos de Agua

Descripción de calderas de tubos de agua incluyendo operación, tipos y beneficios; además, una breve sinopsis sobre cómo se aplican a la cogeneración de calor y energía.

Calderas de Tubos de Agua

Las calderas de tubos de agua difieren de las calderas de carcasa en que el agua circula dentro de los tubos, con la fuente de calor rodeándolos. Refiriéndonos a la ecuación de esfuerzo circunferencial (Ecuación 3.2.1), es fácil ver que debido a que el diámetro del tubo es significativamente menor, se pueden tolerar presiones mucho más altas para el mismo esfuerzo. Las calderas de tubos de agua se usan en aplicaciones de centrales eléctricas que requieren:

• Una alta producción de vapor (hasta 500 kg/s).
• Vapor de alta presión (hasta 160 bar).
• Vapor sobrecalentado (hasta 550°C). Sin embargo, las calderas de tubos de agua también se fabrican en tamaños para competir con las calderas de carcasa. Las calderas de tubos de agua pequeñas pueden fabricarse y ensamblarse en una sola unidad, al igual que las calderas de carcasa empaquetadas, mientras que las unidades grandes generalmente se fabrican en secciones para ensamblar en sitio. Muchas calderas de tubos de agua operan en el principio de circulación natural de agua (también conocido como ‘termosifonamiento’). Este es un tema que vale la pena cubrir antes de ver los diferentes tipos de calderas de tubos de agua que están disponibles. La Figura 3.3.2 ayuda a explicar este principio:
• El agua de alimentación más fría se introduce en el tambor de vapor detrás de una defensa donde, debido a que la densidad del agua fría es mayor, desciende en el ‘tubo descendente’ hacia el tambor inferior o ‘de lodo’, desplazando el agua más caliente hacia arriba en los tubos delanteros.
• El calentamiento continuo crea burbujas de vapor en los tubos delanteros, que se separan naturalmente del agua caliente en el tambor de vapor, y se extraen. Sin embargo, cuando la presión en la caldera de tubos de agua aumenta, la diferencia entre las densidades del agua y el vapor saturado disminuye, en consecuencia ocurre menos circulación. Para mantener el mismo nivel de producción de vapor a presiones de diseño más altas, la distancia entre el tambor inferior y el tambor de vapor debe aumentarse, o debe introducirse algún medio de circulación forzada. Secciones de calderas de tubos de agua La energía de la fuente de calor puede extraerse como radiación o convección y conducción. La sección del horno o de radiación Esta es un área abierta que acomoda la(s) llama(s) del(los) quemador(es). Si se permitiera que las llamaran entraran en contacto con los tubos de la caldera, ocurriría erosión severa y finalmente falla del tubo. Las paredes de la sección del horno están revestidas con tubos con aletas llamados paneles de membrana, que están diseñados para absorber el calor radiante de la llama.

Sección de convección

Esta parte está diseñada para absorber el calor de los gases calientes por conducción y convección. Las calderas grandes pueden tener varios bancos de tubos (también llamados péndulos) en serie, para ganar la máxima energía de los gases calientes. Designación de calderas de tubos de agua Las calderas de tubos de agua generalmente se clasifican según ciertas características, véase la Tabla 3.3.1.

Disposiciones alternativas de calderas de tubos de agua

Las siguientes disposiciones trabajan en los mismos principios que otras calderas de tubos de agua, y están disponibles con capacidades de 5 000 kg/h a 180 000 kg/h. Caldera de tambor longitudinal La caldera de tambor longitudinal fue el tipo original de caldera de tubos de agua que operaba en el principio de termosifonamiento (véase la Figura 3.3.5). El agua de alimentación más fría se alimenta a un tambor, que se coloca longitudinalmente sobre la fuente de calor. El agua más fría desciende por un colector de circulación trasero hacia varios tubos inclinados calentados. A medida que la temperatura del agua aumenta al pasar a través de los tubos inclinados, hierve y su densidad disminuye, por lo tanto circulando agua caliente y vapor hacia arriba en los tubos inclinados hacia el colector de circulación delantero que alimenta de vuelta al tambor. En el tambor, las burbujas de vapor se separan del agua y el vapor puede extraerse. Las capacidades típicas para calderas de tambor longitudinal varían desde 2 250 kg/h hasta 36 000 kg/h.

Caldera de tambor transversal

La caldera de tambor transversal es una variante de la caldera de tambor longitudinal en que el tambor se coloca transversalmente a la fuente de calor como se muestra en la Figura 3.3.6. El tambor transversal opera en el mismo principio que el tambor longitudinal excepto que logra una temperatura más uniforme a través del tambor. Sin embargo, corre el riesgo de daño debido a circulación defectuosa a altas cargas de vapor; si los tubos superiores se secan, pueden sobrecalentarse y eventualmente fallar. La caldera de tambor transversal también tiene la ventaja adicional de poder servir un mayor número de tubos inclinados debido a su posición transversal. Las capacidades típicas para una caldera de tambor transversal varían desde 700 kg/h hasta 240 000 kg/h.

Caldera de tubos curvados o Stirling

Un desarrollo adicional de la caldera de tubos de agua es la caldera de tubos curvados o Stirling mostrada en la Figura 3.3.7. Nuevamente esto opera en el principio de la temperatura y densidad del agua, pero utiliza cuatro tambores en la siguiente configuración. El agua de alimentación más fría entra en el tambor superior izquierdo, donde desciende debido a la mayor densidad, hacia el tambor inferior o de agua. El agua dentro del tambor de agua, y las tuberías de conexión a los otros dos tambores superiores, se calientan, y las burbujas de vapor producidas ascienden a los tambores superiores donde el vapor se extrae entonces.

La caldera de tubos curvados o Stirling permite una gran superficie de transferencia de calor, así como promueve la circulación natural del agua.

Ventajas de las calderas de tubos de agua:

• Tienen un contenido de agua pequeño, y por lo tanto responden rápidamente al cambio de carga y entrada de calor.
• Los tubos de pequeño diámetro y el tambor de vapor significan que se pueden tolerar presiones de vapor mucho más altas, y se pueden usar hasta 160 bar en centrales eléctricas.
• El diseño puede incluir muchos quemadores en cualquiera de las paredes, dando opciones de disparo horizontal o vertical, y la facilidad de control de temperatura en varias partes de la caldera. Esto es particularmente importante si la caldera tiene un recalentador integral, y la temperatura del vapor sobrecalentado necesita controlarse.

Desventajas de las calderas de tubos de agua:

• No son tan simples de hacer en forma empaquetada como las calderas de carcasa, lo que significa que se requiere más trabajo en sitio.
• La opción de múltiples quemadores puede dar flexibilidad, pero los 30 o más quemadores usados en centrales eléctricas significan que se necesitan sistemas de control complejos.

Planta de Cogeneración de Calor y Energía (CHP)

Las calderas de tubos de agua descritas anteriormente son generalmente de gran capacidad. Sin embargo, pequeñas calderas de calor residual especiales de propósito especial para usar en conjunto con plantas de turbinas de gas terrestres están en creciente demanda. Se usan varios tipos de plantas de turbinas de gas terrestres generadoras de vapor:

• Cogeneración de calor y energía Estos sistemas dirigen los gases de escape calientes de una turbina de gas (aproximadamente 500°C) a través de una caldera, donde se genera vapor saturado y se usa como servicio de planta. Las aplicaciones típicas para estos sistemas son en plantas o sitios donde las demandas de electricidad y vapor están sincronizadas y en proporciones que pueden equipararse a un sistema CHP.

Las eficiencias pueden alcanzar el 90%.

• Planta de ciclo combinado Estas son extensiones de los sistemas CHP, y el vapor saturado se lleva a través de un recalentador para producir vapor sobrecalentado. El recalentador puede ser de combustión separada debido a la relativamente baja temperatura del escape de la turbina de gas. El vapor sobrecalentado producido se dirige a turbinas de vapor que impulsan alternadores adicionales, y generan electricidad. La relación de modulación de estas plantas es deficiente, debido a la necesidad de que la turbina rote a una velocidad sincronizada con la frecuencia eléctrica. Esto significa que solo es práctico operar estas plantas a carga completa, proporcionando la carga base de vapor a la planta. Debido a la relativamente baja temperatura del escape de la turbina de gas, comparada con la llama del quemador en una caldera convencional, se requiere un área de transferencia de calor mucho mayor para una carga de calor dada. También, no hay necesidad de proporcionar alojamiento para quemadores. Por estas razones, las calderas de tubos de agua tienden a proporcionar una solución mejor y más compacta. Debido a que la eficiencia es un factor importante para los tomadores de decisiones de CHP, el diseño de estas calderas puede bien incorporar un economizador (calentador de agua de alimentación). Si la planta es de ‘ciclo combinado’ el diseño puede también incluir un recalentador. Sin embargo, las relativamente bajas temperaturas pueden significar que se requieran quemadores adicionales para llevar el vapor a la especificación requerida para las turbinas de vapor.