CENTRALES TÉRMICAS, CIRCUITO DE AIRE-HUMOS

ISMAEL PRIETO

CIRCUITO DE AIRE-HUMOS INDICE DE MATERIAS CIRCUITO DE AIRE-HUMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. FUNCIÓN Y DISPOSICIÓN DEL CIRCUITO Y SUS COMPONENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2. CHIMENEAS Y TIRO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1. EFECTO DE LA CHIMENEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.2. EJEMPLO DE CÁLCULO DEL EFECTO DE LA CHIMENEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3. LA CHIMENEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.4. CAÍDA DE PRESIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.5. EJEMPLO DE CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DE LA CHIMENEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.6. FACTORES EXTERNOS QUE AFECTAN A LA ALTURA DE LA CHIMENEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.7. DISEÑO DE LA CHIMENEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.8. FUNCIONAMIENTO Y MANTENIMIENTO DE LA CHIMENEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3. VENTILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. POTENCIA DE LOS VENTILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. FUNCIONAMIENTO DE LOS VENTILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. CARACTERÍSTICAS AERODINÁMICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. ENSAYO DE VENTILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. CONTROL DE UN VENTILADOR CENTRÍFUGO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. ACCIONAMIENTOS DE LOS VENTILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7. MÁRGENES DE CAPACIDAD DE LOS VENTILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8. VENTILADORES DE TIRO FORZADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.9. VENTILADORES DE TIRO INDUCIDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10. VENTILADORES DE RECIRCULACIÓN DE HUMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.11. VENTILADORES DE AIRE PRIMARIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.12. FUNCIONAMIENTO DE LOS VENTILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.13. VENTILADORES DE FLUJO AXIAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.14. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERÍSTICAS DE CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.15. FUNCIONAMIENTO EN PARALELO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.16. CARACTERÍSTICAS DE DESPRENDIMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.17. PREVENCIÓN DEL DESPRENDIMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.18. DISPOSICIÓN DE LOS VENTILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.19. DESGASTE DE LAS PALETAS DE LOS VENTILADORES DE TIRO INDUCIDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13 13 17 22 24 26 27 27 28 29 30 31 31 31 32 33 33 34 34

4. CALENTADORES DE AIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. TIPOS DE CALENTADORES DE AIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. CALENTADORES DE AIRE RECUPERATIVOS TUBULARES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. CALENTADORES DE AIRE RECUPERATIVOS DE PLACAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. CALENTADORES DE AIRE REGENERATIVOS TIPO LJUNGSTROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. CALENTADORES DE AIRE REGENERATIVOS TIPO ROTHEMUHLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6. CALENTADORES DE AIRE MEDIANTE VAPOR O PRECALENTADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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CIRCUITO DE AIRE-HUMOS 1. FUNCIÓN Y DISPOSICIÓN DEL CIRCUITO Y SUS COMPONENTES En un generador de vapor moderno, de alta capacidad, es necesario forzar la entrada de aire de combustión y también la extracción de los humos producidos en el hogar. Si esto se hiciera mediante tiro natural, la capacidad o potencia del generador, para un mismo volumen, sería muy baja. El sistema aire-humos constituye el conjunto de equipos y de conductos necesarios para cumplir esta misión. En la parte izquierda de la figura 1 se puede ver el sistema de aire. El aire atmosférico es aspirado por un sistema de ventiladores, llamados de tiro forzado. Estos ventiladores descargan a un conducto común pero con posibilidad de aislamiento. A continuación el aire pasa por los precalentadores de aire, cuya misión es calentarlo ligeramente para evitar que en el calentador que viene después se formen zonas excesivamente frías, que se convertirían en focos de condensaciones corrosivas, que producirían daños importantes en el calentador en un tiempo relativamente corto. Desde los precalentadores de aire, éste pasa a los calentadores, donde se calienta aprovechando el calor residual contenido en los humos, antes de que estos sean emitidos a la atmósfera. Desde los calentadores el aire va a las cajas de aire desde donde se inyecta en el hogar por los quemadores siendo el aire secundario de combustión. En el caso de generadores de vapor que queman combustibles sólidos (carbones), de la descarga de los ventiladores de tiro forzado, aspiran los ventiladores de aire primario, que tienen la misión de suministrar el aire necesario en los pulverizadores de carbón, que seca después arrastrará el carbón pulverizado hasta introducirlo en el hogar a través de los quemadores, constituyendo el aire primario. De la descarga de los ventiladores de aire primario, éste se divide en dos corrientes, una que llegará a los pulverizadores como aire frío y otra que pasa por un precalentador de aire primario, que tiene la misma misión que los precalentadores que ya vimos entre los ventiladores de tiro forzado y los calentadores de aire. Desde el precalentador de aire primario, éste pasa por el calentador de aire primario, que lo calienta con calor de los humos de combustión, pero alcanzando una temperatura superior que en los calentadores de aire secundario. De la salida del calentador de aire primario, este va hacia los pulverizadores de carbón. La llegada a los pulverizadores de dos corrientes de aire, una fría y otra caliente, es para que, variando las cantidades que se toman de cada una de ellas, se regule la temperatura que debe de tener la mezcla de aire-carbón a la salida de los pulverizadores. A la derecha de la figura 1 se muestra el circuito de humos. Los humos se generan por la combustión en el hogar, salen de éste atravesando distintos elementos del circuito agua-vapor en el que van cediendo su calor, como son las paredes divisorias, sobrecalentador secundario, sobrecalentador primario, recalentador y economizador. Después los humos relativamente fríos, pasan por los calentadores de aire, en donde ceden calor y de donde salen a una temperatura inferior a 150 ºC. Una derivación de humos desde un punto anterior al economizador, donde la temperatura es relativamente alta, se utiliza para calentar el aire primario en el calentador correspondiente ( ya se ha mencionado que el aire primario caliente necesita una temperatura superior a la que se consigue en los calentadores de aire secundario). Una vez atravesados los calentadores de aire, los humos pasan por el precipitador electrostático, donde se limpian de partículas sólidas (cenizas volantes) y de aquí van a los ventiladores de tiro inducido, que son los encargados de aspirarlos desde el hogar. De la descarga de los ventiladores de tiro inducido, los humos son enviados a la chimenea.

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Figura 1: Esquema de los circuitos de aire y de humos

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2. CHIMENEAS Y TIRO Para la combustión efectiva y completa de cualquier combustible, es necesario un caudal adecuado de aire y se generará una determinada cantidad de humos de humos. El flujo se crea y se mantiene por medio de la chimenea y de los ventiladores. O bien la chimenea por si sola o la combinación de chimenea y ventiladores producen la caída de presión necesaria para mantener el flujo. Se llama TIRO a la diferencia entre la presión en el lado exterior de la pared (atmosférica) y la presión estática en el lado interior de la pared del conducto o la chimenea por donde circulan los productos de la combustión en el hogar. El flujo de aire-humos a través de la caldera se puede conseguir de cuatro maneras denominadas, tiro forzado, tiro inducido, tiro equilibrado y tiro natural. Una caldera de TIRO FORZADO funciona con el hogar a una presión superior a la atmosférica. Un sistema de ventiladores situados a la entrada de la caldera, fuerza el aire hacia el interior con la presión suficiente para compensar la caída producida en el total del circuito de aire-humos, hasta la salida de la chimenea. Una caldera de TIRO INDUCIDO funciona con una presión en el hogar inferior a la presión atmosférica. La presión va disminuyendo desde la entrada pasando por el hogar y conductos de salida de humos, hasta un sistema de ventiladores, llamados ventiladores inducidos que aspiran del hogar y envían los productos de la combustión hacia la chimenea. Cuando la caldera es pequeña, el tiro se puede conseguir por el efecto de la chimenea, sin que sea necesario ningún tipo de ventilador y en tal caso la caldera se llama de TIRO NATURAL. En las calderas más modernas siempre se utiliza o un sistema de ventiladores en la salida de la caldera para mantener el flujo de aire-humos (son los tiro inducido) o un sistema de ventiladores para forzar la entrada de aire (son los de tiro forzado). Una caldera de TIRO EQUILIBRADO tiene un sistema de ventiladores de tiro forzado en la entrada de aire y un sistema de ventiladores de tiro inducido en la salida de humos. La presión estática es superior a la atmosférica en la descarga de los ventiladores de tiro forzado y va disminuyendo progresivamente a medida que se avanza en el circuito, alcanzando el valor de la presión atmosférica aproximadamente en las entradas en el hogar, y desde este punto, la presión estática baja progresivamente por debajo de la atmosférica hasta alcanzar los ventiladores de tiro inducido. Este sistema reduce la presión en el sistema y la tendencia a escapar los gases del hogar a través de mirillas, registros, etc, lo que ocurre cuando el hogar se encuentra presurizado. Este sistema también supone un ahorro de energía, ya que los ventiladores de tiro forzado tienen un flujo volumétrico pequeño debido a la baja temperatura del aire de entrada y a que la potencia de los ventilados depende del caudal volumétrico. Debido a estas razones prácticamente todas las calderas modernas son de tiro equilibrado. La PÉRDIDA DE TIRO es la reducción de la presión estática a lo largo del circuito airehumos debida al rozamiento y otras causas. La relación entre presión estática, la presión dinámica (debida a la velocidad) y la presión total es la siguiente: Ptotal ' Pst % PC ' Pst %

C2 2v

(1)

Esta fórmula procede de la aplicación del primer principio a corrientes fluidas suponiendo que no hay rozamiento y por lo tanto, al frenar el fluido hasta el reposo, toda la energía cinética se transforma en presión sin que haya aumento de temperatura, la energía interna 3

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(ust = utotal) no variará y el volumen especifico, v, lo hace en una cantidad despreciable. La ecuación es aplicable a líquidos y a gases con números de Mach bajos. Los símbolos representan lo siguiente: Ptotal = Presión total (obtenida llevando el fluido al estado de reposo) (N/m2) Pst = Presión estática (medida) (N/m2) PC = Presión correspondiente a la velocidad (C2/2v) C = Velocidad media (m/s) v = Volumen específico (m3/kg) 2.1. EFECTO DE LA CHIMENEA El efecto de la chimenea es la diferencia de presión estática entre un punto de la base del conducto, situado en el exterior y otro de la misma altura situado en el interior, cuando el caudal de aire-humos es igual a cero. La causa de esta diferencia es la diferencia de densidad entre el aire y los humos calientes. El efecto de la chimenea es independiente del caudal de gases y no puede ser medida con dispositivos de medida de tiro, ya que estos medirían el efecto combinado de la chimenea más las pérdidas debidas al flujo. La intensidad y distribución de esta diferencia de presiones, depende de la altura, la disposición de los conductos y las temperaturas medias en el conducto y en el aire ambiente. El efecto de la chimenea se puede definir de la forma más general como : ∆PCH ' gZ(ρa & ρHU) ' gZ

1 1 & va vHU

(2)

Donde: ∆PCH = Gradiente de presión creado por la chimenea (N/m2 ) (Pa) g = Aceleración de la gravedad (m/s2 ) Z = Diferencia de cotas entre los puntos considerados ρa = Densidad del aire ambiente (kg/m3 ) ρHU = Densidad media de los humos (kg/m3) va = Volumen específico del aire ambiente (m3/kg) vHU = Volumen específico de los humos (m3/kg). De (2) se obtiene el efecto de la chimenea (EF.CH.) por metro de altura (Pa/m) EF.CH. '

∆PCH Z

'g

1 1 & va vHU

(3)

Por conveniencia, la tabla 1 muestra el volumen específico del aire y de los humos en la atmósfera a 556 K (283 C). Considerando que el aire y los humos pueden ser tratados como gases ideales, es posible el cálculo del volumen específico en otras condiciones mediante la fórmula:

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v ' v0

T T0

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p0

(4)

p

Donde, para utilizar los datos de la tabla 1. v = Volumen específico buscado del gas (m3/kg). v0 = Volumen específico del gas a 556 K y una atm(1,01325.105 Pa ) (m3/kg) T = Temperatura del fluido cuyo volumen específico se busca (K) T0 = Temperatura de 556 K p0 = Presión de una atmósfera (1,01325.105 Pa) p = Presión del fluido cuyo volumen específico se busca (N/m2 ó Pa). Tabla 1: Volumen específico a 556 K y una atmósfera (1,01325.105 Pa ) m3/kg

Gas Aire seco

1,57

Aire con 0,013 kg de agua por kg de aire seco

1,58

Humos con el 3 % en peso de agua

1,50

Humos con el 5 % en peso de agua

1,54

Humos con el 10 % en peso de agua

1,60

Tabla 2: Presión atmosférica en función de la altitud sobre el nivel del mar Altura sobre el nivel del mar (m)

Presión (kPa)

Altura sobre el nivel del mar (m)

Presión (kPa)

0

101.3

2250

77.6

250

98.4

2500

75.4

500

95.5

2750

74.8

750

92.7

3000

72.4

1000

90.0

3250

70.0

1250

87.3

3500

67.5

1500

84.8

3750

65.1

1750

82.3

4000

62.7

2000

79.9

En la tabla 3 se dan varios valores del efecto de la chimenea a la presión de una atmósfera. El efecto total teórico de una chimenea o conducto, a una determinada elevación sobre el nivel del mar se puede calcular de forma simplificada mediante la ecuación: 5

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Tiro de la chimenea ' Z(EF.CH.)

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Presion barométrica Presión al ninel del mar

(5)

Donde: Z = Altura de la chimenea (m) EF.CH. = Efecto de la chimenea (Pa/m) En estos cálculos se asume que la temperatura de humos es la media aritmética entre la de entrada y la de salida a la chimenea. La temperatura a lo largo de la chimenea o conducto no permanece constante, puede haber pérdidas de calor e incluso entradas de aire. En la figura 2 se muestra un valor aproximado para la temperatura de salida en función de la temperatura de entrada y la altura de la chimenea. 2.2. EJEMPLO DE CÁLCULO DEL EFECTO DE LA CHIMENEA La figura 3 ilustra el procedimiento utilizado para calcular el efecto de la chimenea. El efecto de la chimenea puede favorecer o restringir el caudal de humos a través de la unidad. Las tres zonas de paso de gas están a temperaturas diferentes y el ejemplo se considera al nivel del mar. Para facilitar el proceso se asume que el tiro en el punto D es nulo (presión igual a la atmosférica). El efecto de la chimenea siempre favorece con flujos ascendentes y restringe con flujos descendentes. Utilizando los valores de la tabla 3 para una temperatura ambiente de 26,85 ºC (300 K) el efecto de chimenea de cada tramo, en Pa, es: Tabla 3: Efecto de la chimenea (EF.CH.) en Pa/m de altura VOLUMEN

TEMPERATURA DE HUMOS C K

ESPECIFICO HUMOS

m3/kg

TEMPERATURA DEL AIRE, K 277.55 288.75 299.85 310.95 VOLUMEN ESPECÍFICO DEL AIRE, m3/kg 0.78872 0.82055 0.85209 0.88363

121.1 394.25 1.08352 3.38543 2.90279 260 533.15 1.46526 5.74515 5.26252 537.8 810.95 2.22874 8.03955 7.55691 815.5 1088.65 2.99195 9.16279 8.68016 1093.6 1366.75 3.75626 9.83022 9.34758 1371.1 1644.25 4.51891 10.27116 9.78853 El efecto de la chimenea se considera en las siguientes condiciones: Aire: 0,013 kg de agua por kg de aire seco; 0,855 m3/kg; 26,7 ºC; 101,325 kPa Humos: 0,04 kg de agua por kg de aire seco; 0,826 m3/kg; 26,7 ºC; 101,325 kPa

2.46004 4.81976 7.11416 8.23740 8.90483 9.34578

2.04890 4.40862 6.70302 7.82626 8.49369 8.93464

Efecto en DC = (33,5 m).(2,46004 Pa/m) = 82.41 Pa Efecto en CB = - (30,5 m).(7,11416 Pa/m) = - 216.98 Pa Efecto en BA = (15,2 m).(8,23740 Pa/m) = 125.21 Pa Si se mide la presión en los puntos A, B, C y D de la figura 3, con caudal cero, se obtienen los siguientes valores: Tiro en D = 0 Pa Tiro en C = Tiro en D más el efecto DC = 0 + 82.41 = 82.41 Pa Tiro en B = Tiro en C más el efecto CB = 82,41 + (- 216.98) = - 134,57 Pa Tiro en A = Tiro en B más el efecto BA = - 134,57 + 125.21 = - 9,36 Pa

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Nótese que, como el cálculo del efecto chimenea en este ejemplo se hace en el sentido contrario al flujo, el efecto de la chimenea se suma, en el cálculo del tiro, al existente en la boca de la chimenea. Si se calcula en la dirección del flujo, el efecto de la chimenea debe de restarse. El efecto neto de la chimenea desde D hasta A en la figura 3, es la suma de los tres efectos

Figura 2: Relación aproximada entre las dimensiones de la chimenea y la temperatura de salida de los humos 7

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que es - 9,36. La diferencia de presiones estáticas en A es de -9,36 Pa. La altura de ventiladores o chimenea, debe de seleccionarse no solo para suministrar el tiro necesario para que sea posible compensar las caídas de presión a lo largo de la unidad, si no también para obtener un efecto positivo del sistema para que los humos salgan por la boca de la chimenea a una determinada velocidad. Esta velocidad debe de proceder de transformar altura estática en altura de velocidad

Figura 3: Diagrama ilustrativo del ejemplo de cálculo del efecto de la chimenea con un recorrido de tres tramos verticales (si no hay velocidad los humos, no se mueven). Como el tiro en A es de - 9,36 Pa, el ventilador tendrá que compensar esta presión e incrementarla en un valor apropiado para que los humos salgan por la chimenea a una determinada velocidad 2.3. LA CHIMENEA Las calderas antiguas funcionaban con el tiro natural creado por la chimenea. Esto se sigue utilizando en la actualidad pero solamente en unidades de muy baja potencia. Sin embargo para grandes unidades equipadas con sobrecalentadores, economizadores y especialmente con

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calentadores de aire, no es práctico ni económico que la unidad funcione con el tiro creado únicamente por la chimenea. Estas unidades necesitan ventiladores para complementar el tiro inducido por la chimenea. El total de la unidad debe de estar presurizada por un ventilador de

Figura 4: Altura de la chimenea, en función del tiro y de la temperatura de los humos tiro forzado o bien debe de utilizar ventiladores de tiro forzado y de tiro inducido para funcionar con tiro equilibrado. No se suele utilizar la combinación de ventiladores de tiro inducido y chimenea. La altura y diámetro necesarios para la chimenea, en el caso de que solo se utilice el tiro natural, dependen principalmente de: 9

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1. 2. 3. 4.

Pérdidas de carga desde el punto de tiro equilibrado a la entrada a la chimenea. Temperatura media de los humos a lo largo de la chimenea y del aire que la rodea. Caudal de humos que debe de manipular la chimenea. Presión atmosférica. No existe ninguna fórmula simple que satisfaga todos los factores que influyen en la determinación de la altura y el diámetro de la chimenea. Los puntos más importantes a considerar son: 1) Temperatura del aire que rodea a la chimenea y temperatura del gas que entra en la chimenea, 2) Caída de temperatura de los humos a lo largo de la chimenea debida a las pérdidas hacia la atmósfera y a las filtraciones de aire. 3) Caídas de presión a lo largo de la chimenea, asociadas con el caudal de humos, debidas al rozamiento y a la velocidad con la que los humos abandonan la chimenea. 2.4. CAÍDA DE PRESIÓN El tiro neto de la chimenea, o tiro inducido a la entrada de la chimenea, es la diferencia entre el tiro teórico mediante la ecuación (1) o las ecuaciones (2), (3) y (4) y la caída de presión debida al flujo de humos en la chimenea. Si a las pérdidas típicas por rozamiento producidas en una corriente, se le suma la altura de velocidad, que procede de la transformación de presión estática, se obtiene la caída de presión producida en el circuito de aire-humos más la chimenea. ∆PCAIDA ' f

L G2 G2 2 G2 L v% v ' v f %v D 2 2 2 D

(6)

Donde: ∆PCAIDA = Caída de presión de la chimenea (N/m2 ) (Pa) f = Coeficiente de rozamiento, adimensional . 0,014 a 0,017 L = Longitud (altura) de la chimenea (m) D = Diámetro de la chimenea (m) G = Caudal másico por unidad de superficie, m/A i (kg/s.m2 ) m i = Caudal másico (kg/s) A = Sección transversal de la chimenea (m2 ) v = Volumen específico a la temperatura media (m3 /kg) Las caídas de presión de la chimenea para unidades que utilizan el tiro natural, son inferiores al 5 % del tiro teórico de la chimenea. La parte de las pérdidas debidas a la energía cinética, no recuperable, de los humos en la salida de la chimenea, es de tres a siete veces las pérdidas por rozamiento, dependiendo de la altura y diámetro de la chimenea. 2.5. EJEMPLO DE CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DE LA CHIMENEA Se puede intentar el cálculo de las dimensiones de la chimenea utilizando las figuras 2, 4 y 5 asumiendo una determinada temperatura en la salida de la chimenea. Se hacen aproximaciones de los valores según sea necesario, por verificación de la temperatura de salida, las pérdidas de flujo y corrección por altura, si es necesario. El ejemplo siguiente ilustra este método de dimensionado. Características de la unidad: Combustible Carbón pulverizado 10

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Vapor generado, kg/h 163292.4 kg/h Caudal de humos, kg/h 204115.5 kg/h Temperatura de entrada a la chimenea, C 287,8 C Tiro necesario (desde el punto de tiro equilibrado hasta la entrada a la chimenea) 25,4 mm de H2O Altitud de la planta Nivel del mar (0 m) Para comenzar se supone una temperatura de los humos en la salida de la chimenea de 232,2 C En el caso de que no se especifique el caudal de humos se puede utilizar la siguiente aproximación: Tipo de hogar

Relación en peso Caudal de humos/Caudal de vapor

Combustible líquido o gaseoso Carbón pulverizado Parrilla

1,15 1,25 1,50

Para calcular el diámetro de la chimenea, de la figura 5, para un caudal de humos de 204115,5 kg/h (56,7 kg/s) se obtiene un valor de 4,4196 m. Para la caída de presión de 25,4 mm de H2O (0,254 kPa) (aumentada por seguridad a 27,94 mm de H2O (0,2794 kPa) y una temperatura media de los humos en la chimenea de 260,0 C, basada en la temperatura de entrada especificada de 287,8 C y en la supuesta de salida de 232,2 C, de la figura 4 se obtiene una altura aproximada de la chimenea de 56,9976 m. En la figura 2 se puede hacer un chequeo de la temperatura supuesta como la de salida de la chimenea, considerando los 56,9976 m de altura, 4,4196 m de diámetro y una temperatura de entrada de 287,8 C. De este chequeo se obtiene una temperatura de 221,1 C o bien una temperatura media de la chimenea de 254,4 C con un tiro de 27,94 mm de H2O, de la figura 4 se vuelve a recalcular la altura de la chimenea despreciando las pérdidas debidas al flujo, obteniendo una altura de 57.912 m. Considerando que las pérdidas de la chimenea son del 5 %, la altura final de la misma será de 60.96 = 57.912/0,95. Esto representa la altura activa de la chimenea. La altura de cualquier sección no activa comprendida entre la entrada y la base, también debe de ser tenida en cuenta. Las pérdidas debidas al flujo de la chimenea, se pueden comprobar utilizando los valores anteriores del diámetro, altura, temperatura media de los humos y caudal de los mismos, utilizando la ecuación (6). Si se hace una comprobación de la caída de presión neta disponible, utilizando la ecuación (2), muestra que la caída de 25,4 mm de H2O necesarios, se cubren ampliamente. Si la planta no estuviera localizada al nivel del mar, el tiro necesario habría que aumentarlo multiplicando por el factor de altura (1,01325/(P.atmosf.)) y el tiro teórico de la chimenea disminuirlo multiplicando por la inversa ((P.atmosf.)/1,01325). En donde P.atmosf. = Presión atmosférica en bar a la elevación donde está situada la instalación. 2.6. FACTORES EXTERNOS QUE AFECTAN A LA ALTURA DE LA CHIMENEA La chimenea también tiene la misión de dispersar los homos que se emiten. Si se aumenta la altura de la chimenea también aumenta el área de dispersión. En valles estrechos o en lugares donde se concentran gran cantidad de industrias, es necesario aumentar la altura de la chimenea. En algunas plantas localizadas en las proximidades de aeropuertos, no se puede elevar la 11

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chimenea para lograr el necesario efecto de dispersión. En tales casos la chimenea tiene un estrechamiento en la salida, para aumentar la velocidad de descarga y simular el efecto de una chimenea más alta. Sin embargo el estrechamiento añade una resistencia al paso de los humos que solo puede ser compensada por medios mecánicos de producción de tiro.

Figura 5: Diámetro recomendado de la chimenea para un rango determinado de caudales de gas

2.7. DISEÑO DE LA CHIMENEA Una vez establecidos la altura y el diámetro de la chimenea, es necesario tener en cuenta factores económicos y estructurales para hacer el diseño. Los materiales deben de ser seleccionados de acuerdo con el coste, altura y forma de soporte. El material también estará influenciado por el poder corrosivo de los humos. Una vez seleccionado el material, debe de determinarse y dimensionarse la estructura soporte tanto para cargas estáticas como para cargas dinámicas. 2.8. FUNCIONAMIENTO Y MANTENIMIENTO DE LA CHIMENEA Todas las entradas a la chimenea deben de ser herméticas a la entrada de aire y estar provistas de cortatiros, para aislamiento cuando no esté en funcionamiento. Las entradas de aire 12

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frío a la chimenea durante el funcionamiento, reducen la temperatura media de los humos y como consecuencia, el efecto de la chimenea. También aumentan el caudal y las perdidas del flujo.

Figura 6: Ventilador centrífugo con una sola entrada de gas, con cortatiros de regulación radiales en la entrada y con álabes del rotor curvados hacia atrás La chimenea está sujeta al efecto erosivo de partículas y a la corrosión por los compuestos ácidos. La erosión es más frecuente en las zonas de entrada de la chimenea, donde puede haber estrechamientos y cambios de dirección. Se puede disminuir este efecto utilizando materiales resistentes a la erosión o colocando escudos protectores recambiables. 3. VENTILADORES Un ventilador impulsa una cantidad de aire o gas suministrándole la energía suficiente para que la corriente avance, venciendo cualquier resistencia al flujo. Un ventilador es una máquina que consta de un rotor de paletas o impulsor, que comunica la energía al gas, y una carcasa que contiene y guía el gas manipulado. La potencia suministrada al gas por el ventilador depende del volumen manipulado por unidad de tiempo, de la presión diferencial a través del ventilador y del rendimiento. 3.1. POTENCIA DE LOS VENTILADORES La potencia del ventilador se puede computar por la suministrada en los terminales del motor de accionamiento y también se puede calcular por métodos termodinámicos. La potencia consumida por un ventilador se puede expresar de la siguiente manera: Potencia ' k

(7)

(∆P)v0 ηV

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Donde: Potencia = Potencia comunicada al eje (kW) ∆P = Aumento de presión total desde la entrada a la salida de la máquina (kPa) vi = Caudal volumétrico (m3/kg) ηV = Rendimiento mecánico del ventilador (%) k = Factor de compresibilidad (adimensional) En la tabla 4 se dan factores de compresibilidad y rangos aproximados de rendimiento que pueden ser utilizados en la ecuación (7). El término rendimiento del ventilador puede ser mal interpretado ya que se puede definir en varios sentidos. El rendimiento del ventilador puede ser considerado únicamente a través del rotor, a través de la carcasa, desde al entrada a la máquina

Figura 7: Ventilador centrífugo con rotor de doble ancho, dos entradas de gas y álabes curvados hacia atrás. a la salida sin tener en cuenta los efectos de entrada y salida o a través de la carcasa desde al entrada a la máquina a la salida teniendo en cuenta los efectos de entrada y salida. El vendedor

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del ventilador recomienda la mejor disposición de conductos de entrada y salida para que estas

Figura 8: Ventilador axial de dos ruedas de álabes pérdidas sean lo más bajas posible. Para seleccionar el motor apropiado para el ventilador, la potencia de entrada en el eje debe de ser calculada utilizando el rendimiento que tiene en cuenta

Figura 9: Determinación de la caída de presión en un ventilador de flujo axial

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Figura 10: Curvas características de dos tipos de ventiladores centrífugos funcionando a una elevación de 5500 ft (1676 m) y 965 rpm todas las pérdidas asociadas con el ventilador incluyendo las debidas a la disposición de los

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conductos de entrada y de salida. Otro método utilizado para calcular la potencia consumida por el ventilador se basa en tener en cuenta el concepto de altura adiabática. Si se conoce el aumento total de presión, la altura adiabática se puede calcular utilizando la siguiente fórmula: Hd '

(8)

(k) (∆P) ρg

Donde: Hd = Altura adiabática de la columna de gas (m) k = Factor de compresibilidad (adimensional) ∆P = Aumento de presión total desde la entrada a la salida de la máquina (kPa) ρ = Densidad actual (kg/m3 ) g = Aceleración de la gravedad (9,81 m/s 2 ) Utilizando el concepto de altura adiabática, de la ecuación (8), la potencia en kW aportada al eje de la máquina puede ser calculado como: Potencia '

(Q) (Hd ) (g) ηV (3,6.106 )

(9)

Donde: Q = Caudal másico (kg/h) g = Aceleración de la gravedad (9,81 m/s 2 ) 3.2. FUNCIONAMIENTO DE LOS VENTILADORES Las chimeneas difícilmente podrían producir el tiro necesario para las necesidades de una caldera moderna. Estas tienen unas caídas de presión tan grandes que hacen necesario la instalación de sistemas mecánicos generadores de tiro, para lo que se dispone de una gran variedad de ventiladores. Hay dos clases principales de ventiladores: 1. Los ventiladores de flujo centrífugo, en los cuales el aire, gas o humos, se aceleran radialmente del interior al exterior de un rotor formado por álabes, que descarga en una envolvente de forma de voluta, ver figura 6 y 7. 2. Los ventiladores de flujo axial, en los cuales el fluido es acelerado paralelamente al eje del ventilador, ver figura 8 y 9. El funcionamiento de los ventiladores se expresa mejor en forma gráfica mediante curvas, que dan la presión estática, potencia al freno y el rendimiento estático como una función del caudal volumétrico (figura 10). Como los ventiladores, para un caudal determinado, tienen un valor único de la presión estática y un valor único de la potencia, debe de haber equilibrio entre la presión estática y la resistencia del sistema. Cuando se varía la velocidad del ventilador también lo hacen los valores de las características, obteniéndose familias de curvas tales como las mostradas en la figura 11; aunque, de todos modos la forma de las curvas permanece invariable. Los cambios en el funcionamiento de los ventiladores, se pueden predecir mediante las Leyes de funcionamiento de los ventiladores: 17

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Figura 11: En este gráfico se muestra como se puede obtener económicamente la presión estática necesaria en la salida variando la velocidad del ventilador y evitando pérdidas por estrangulamiento con cortatiros

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1. Variación de la velocidad (manteniendo invariables el tamaño del ventilador, la densidad del gas y la resistencia del sistema): a. La capacidad (m3/min) varía proporcionalmente a la velocidad. b. El aumento de presión varía proporcionalmente al cuadrado de la velocidad c. La potencia varía proporcionalmente al cubo de la velocidad. Tabla 4: Rangos aproximados del rendimiento mecánico (ηV) y factores de compresibilidad Rangos aproximados del rendimiento mecánico (ηV) Ventiladores centrífugos Álabes de paletas

45 a 60 %

Álabes curvados hacia delante

45 a 60 %

Álabes curvados hacia atrás

75 a 85 %

Álabes inclinados radialmente

60 a 70 %

Air Foil

80 a 90 %

Ventiladores axiales

85 a 90 %

Valores aproximados de los factores de compresibilidad para el aire ∆P/P

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

k

1

0,99

0,98

0,97

0,96

0,95

0,94

2. Variación del tamaño del ventilador (manteniendo la semejanza geométrica, manteniendo constantes el incremento de presión, la densidad y la resistencia del sistema): a. La capacidad (m3/min) varía proporcionalmente al cuadrado del diámetro del rotor.. b. La potencia varía proporcionalmente al cuadrado del diámetro del rotor. c. La velocidad varía inversamente proporcional al diámetro del rotor. 3. Variación de la densidad del gas ( manteniendo constantes el tamaño, la velocidad y la resistencia del sistema): a. La capacidad (m3/min) permanece constante. b. La potencia es directamente proporcional a la densidad del gas. c. La presión es directamente proporcional a la densidad del gas. Los ventiladores geométricamente semejantes tienen características de funcionamiento también similares. El funcionamiento de un ventilador se puede predecir conociendo el de un ventilador semejante mayor o más pequeño. Los dos factores principales de funcionamiento (velocidad y presión estática) están relacionados con los conceptos de velocidad específica y diámetro específico. La Velocidad específica son las rpm a las cuales un ventilador podría funcionar si se redujera proporcionalmente su tamaño hasta manipular 1 m3/min de aire en condiciones estándar, con un aumento de presión estática de 1 Pa. El Diámetro específico es el diámetro necesario para manipular 1 m3/min de aire en condiciones estándar, con un aumento de presión estática de 1 Pa a una determinada velocidad específica. De las leyes de los ventiladores se pueden deducir las siguientes ecuaciones: 19

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Llamando: V = Velocidad del ventilador (rpm) Q = Caudal de gas (m3/min) P = Incremento de presión estática en el ventilador (Pa) W = Potencia del ventilador (kW) D = Diámetro del ventilador (m) Considérense dos procesos: En el primero, desde la condición “1" re reduce el tamaño del ventilador manteniendo la semejanza geométrica y manteniendo el incremento de presión (P) constante, hasta una condición que denominaremos “2", en la cual D2 = Diámetro específico. En este proceso, se cumple P1 = P2 y además, según la ley “2a”: Q1 Q2

2

'

D1

(10a)

2 D2

y según la ley “2c”: V1 V2

'

D2

(10b)

D1

Al proceso considerado le sigue otro entre la condición “2" y la condición “3" durante el cual se varía la velocidad hasta la específica, manteniendo constante el diámetro (D2 = D3 = Diámetro específico). En esta transformación según la ley “1a” se cumple: Q2 Q3

'

V2

(10c)

V3

y según la ley “1b”: P2 P3

2

'

V2

(10d)

2 V3

de (10d): 2 2P V2 ' V3 2 P3

2P ' V3 1 P3

; V2 ' V3

20

P1 P3

1 2

(10e)

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de (10c) Q2 ' Q3

V2

' Q3

V3

1 2

P1

(10f)

P3

de (10a) y (10f) 2

Q1 Q3

1 2

P1

D1

'

2

D3

(10g)

P3

de (10b) y (10e) V1 1 2

P1

V3

'

D3 D1

;

1 2

V1 P3 V3 P1

'

D3

(10h)

D1

P3

Teniendo en cuenta que P3 = 1 y Q3 =1 y que en tal caso D3 será el Diámetro específico y V3 será la Velocidad específica. De (10g) Q1 P1

1 2

2

'

D1

2

D3

1/4

; D3 '

D1P1 1

(10i)

Q2

de (10h) V1 . V3 '

V3P1

1/2

V1D1 1/2

P1 D3

'

D3 D1

;

V1 V3

1/2

'

P1 D3

1/2

V1D1

'

1/4

1/2 D1P1

P1

(10j)

D1 '

V1Q1

3/4

P1

Q 1/2

21

(10k)

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De (10k) se obtiene: Velocidad específica (N) '

rpm(m 3/min)1/2 (∆PESTATICA)3/4

(11)

De (10j): Diámetro específico (D) '

mdiámetro(∆PESTATICA)1/4 (m 3/min)1/2

(12)

Donde el flujo volumétrico (m3/min) se considera en las condiciones estándar ( 26,7 C; 101,325 kPa ) ∆P es la presión estática en kPa y mdiámetro es el diámetro del ventilador en m. Puesto que, para cada ventilador, solamente hay un valor de la velocidad específica correspondiente al punto de rendimiento máximo, tal valor sirve para identificar el diseño particular. Lo mismo se puede decir para el tamaño específico. Una vez establecido un tamaño específico o un diseño específico, para las necesidades de una aplicación, solamente necesitan ser considerados los diseños correspondientes a dichos valores. 3.3. CARACTERÍSTICAS AERODINÁMICAS En la figura 12 se muestra un diagrama de selección de ventiladores que se puede utilizar para determinar el ventilador más económico para un conjunto de condiciones de funcionamiento. Las necesidades de funcionamiento para una caldera de 500 MW, de carbón pulverizado, que utiliza parejas de ventiladores tanto en los de tiro inducido como en los de tiro forzado y aire primario, se pueden ver en el diagrama de selección. Cuando aumenta la velocidad específica, la relación de diámetros de los ventiladores centrífugos aumenta aproximándose a la unidad. Cuando se aproxima a la unidad, lo que ocurre a altas velocidades específicas, el diseño resulta poco práctico. En la figura 11 se representa la resistencia del sistema y las características de la velocidad estática del ventilador para varias velocidades. Si el ventilador funciona a velocidad constante, cualquier caudal volumétrico menor al de la intersección de la curva de resistencia del sistema y la característica correspondiente a la velocidad, se puede obtener añadiendo resistencia mediante estrangulamiento de la corriente de gas. Esto representa un gasto en potencia que se puede evitar utilizando velocidad variable. Si se representan las características referidas a porcentaje se muestran algunas de las muchas variaciones posibles en diferentes diseños de ventiladores. En la figura 14 se muestra una representación de este tipo, seleccionando como 100 % de capacidad el punto de máximo rendimiento. Algunos ventiladores tienen características con un amplio rango de variación de la presión de descarga, mientras otros las tienen más planas. Algunas características de potencia son cóncavas hacia arriba y otras cóncavas hacia abajo. Las segundas tienen la ventaja de que se autolimitan, por lo que tienen bajo riesgo de sobrecargar el motor de accionamiento y requieren pocas necesidades de sobredimensionado del motor.

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Figura 12: Diagrama para la selección del tipo de ventiladores 23

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Los ventiladores centrífugos tienen una característica con un rango de presiones en la descarga relativamente grande, por lo que resultan atractivos para cuando se necesitan altas presiones en la descarga con caudales de gas relativamente bajos. Los ventiladores con este tipo de características también necesitan velocidades máximas para las alturas estáticas máximas. Además los ventiladores centrífugos deben equiparse con forros de desgaste cuando los gases que manipulan llevan polvo en suspensión. En contraste, los ventiladores de flujo axial son más útiles cuando la presión estática necesaria tiende a disminuir cuando lo hace el caudal. La aplicación

Figura 13: Ventilador controlado con cortatiros radiales internos de ventiladores de flujo axial en los casos en los que la presión necesaria pueda aumentar bruscamente con caudales bajos, debe de ser estudiada cuidadosamente para asegurar que las variaciones en las necesidades de presión estática no provoquen la aparición del desprendimiento 3.4. ENSAYO DE VENTILADORES Es difícil obtener datos consistentes de campo, para el funcionamiento de los ventiladores ya instalados asociados a conductos, cortatiros, etc porque es imposible eliminar el efecto del sistema. La disposición estructural de los conductos a la entrada y la salida del ventilador también afecta a los resultados de los ensayos. El camino más fiable para verificar el funcionamiento de un ventilador es el banco de ensayos. 24

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Figura 14: Curvas características de ventiladores centrífugos y axiales 25

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3.5. CONTROL DE UN VENTILADOR CENTRÍFUGO Raramente, un ventilador puede trabajar a presión y caudal volumétrico constantes. Por tanto para cumplir con los requerimientos del sistema, se necesita algún medio para variar el caudal como pueden ser cortatiros o velocidad variable. El control mediante cortatiros introduce suficiente resistencia variable para alterar las condiciones de descarga en el sentido que sea necesario y ofrece las siguientes ventajas: 1. Coste de instalación muy bajo para todos los casos. 2. Fácil operación y adaptación al control automático. 3. Motor de accionamiento relativamente barato, se puede utilizar un simple motor de corriente alterna asíncrono. 4. El comportamiento continuo de este tipo de control, lo hace un método efectivo en todo el rango de operación del ventilador.

Figura 15: Curvas de funcionamiento de un ventilador de flujo axial de álabes de inclinación variable Sin embargo, el control mediante cortatiros, produce un desperdicio de energía debido a que el exceso energía de presión se disipa mediante estrangulamiento. De todos modos, el control más económico de los ventiladores centrífugos es mediante cortatiros radiales en la entrada diseñados para funcionar tanto con aire sucio como con aire limpio. La experiencia de funcionamiento con los ventiladores de tiro forzado, de aire primario y de tiro inducido, ha probado que el control mediante cortatiros radiales en la entrada es fiable y reduce los costes de 26

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operación. También resulta un control estable, preciso y con una mínima histéresis. El control con cortatiros radiales en la entrada (figura 13) regula el caudal de entrada al ventilador y consume menos potencia a cargas parciales que si se utilizan cortatiros en la salida. Los cortatiros radiales en la entrada (figuras 6 y 7) producen en el gas un determinado grado de remolino en la dirección de giro del ventilador que ayuda al mismo a producir las condiciones de descarga necesarias a potencia proporcionalmente más baja. Aunque los cortatiros de entrada, como el caso de la figura 13, ofrecen un considerable ahorro energético, sobre el caso de cortatiros en la salida, cuando se trabaja de cargas parciales, donde realmente resultan efectivos es a potencias próximas a la nominal. El coste inicial es mayor que el de unos cortatiros normales situados en el conducto perpendicularmente al mismo, pero es menor que el de un control de velocidad variable. Los motores de velocidad variable son mejores desde el punto de vista de consumo energético, porque se reduce la velocidad (energía) a caudales más bajos. Sin embargo, los motores de velocidad variable requieren un coste inicial que puede no compensar los ahorros energéticos que se obtienen cuando se funciona a cargas parciales. El control de velocidad también produce alguna disminución en el rendimiento del motor, porque ningún motor de velocidad variable funciona en todo el rango posible, con un rendimiento tan alto como el que puede tener un motor asíncrono de velocidad constante. La disminución de rendimiento depende, sobre todo, del tipo de regulador de velocidad. Los variadores de velocidad normalmente utilizados suelen ser acoplamientos hidráulicos, motores de corriente continua de velocidad variable o turbinas de vapor de velocidad variable. 3.6. ACCIONAMIENTOS DE LOS VENTILADORES Los accionamientos más utilizados para los ventiladores son motores eléctricos, porque son más baratos y tienen un rendimiento mayor que otros tipos de accionamiento. Para ventiladores de más de algún caballo de potencia, predominan los motores con rotor de jaula de ardilla. Este tipo de motores son relativamente baratos, fiables y de alto rendimiento en un amplio rango de potencias. Se utilizan frecuentemente grandes motores, con acoplamientos magnéticos o hidráulicos para las instalaciones de velocidad variable. Para algunos casos de velocidad variable, principalmente para tamaños pequeños, se utilizan motores de inducción con rotores devanados y anillos rozantes. Si se necesita un motor de corriente continua, normalmente se utiliza el motor paralelo. El accionamiento mediante turbina de vapor es más caro que el de motor asíncrono de jaula de ardilla, pero es más barato que cualquiera de los sistemas eléctricos de variación de velocidad, cuando la potencia supera los 37 kW (50 hp). Una turbina de vapor puede ser más económica que un motor eléctrico en plantas donde hay exceso de vapor por necesidades del proceso, o en grandes instalaciones donde se utiliza vapor para calentamiento del agua de alimentación. 3.7. MÁRGENES DE CAPACIDAD DE LOS VENTILADORES Para tener la seguridad de que los ventiladores no vayan a limitar la capacidad de la caldera, es necesario añadir márgenes de seguridad a la potencia calculada o neta necesaria. Estos márgenes deben de cubrir las condiciones de operación que no puedan ser específicamente evaluadas. Por ejemplo, la variación el las características de las cenizas del combustible o el funcionamiento inusual con superficies de intercambio de calor sucias con escoria. En tales casos, la unidad necesita más tiro. Las fugas en los calentadores de aire, normalmente, a lo largo de una campaña, van aumentando debido al desgaste de los cierres, por lo que para mantener el aporte de aire necesario y la evacuación de humos más aire fugado, la potencia consumida por los 27

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ventiladores también aumenta a lo largo de una campaña. Para un rápido incremento de carga o una sobrecarga momentánea, siempre se demanda más potencia de los ventiladores. Los márgenes para cubrir estas emergencias incluyen: 1) 15 a 20 % de incremento en peso del caudal de aire y de humos. 2) 20 a 30 % de incremento en la altura neta. 3) 14 ºC de incremento en la temperatura de entrada a los ventiladores. 3.8. VENTILADORES DE TIRO FORZADO Las calderas que funcionan con ventiladores de tiro forzado y ventiladores de tiro inducido, utilizan los de tiro forzado para inyectar el aire, a través del sistema de aire de combustión, al hogar (figura 1). Las ventiladores deben de tener una presión de descarga lo suficientemente grande para igualar la resistencia total de los conductos de aire, calentadores de

Figura 16: Ahorro de potencia aire, quemadores y cualquier otra resistencia entre los ventiladores y la descarga en el hogar. Esto hace del hogar el punto de tiro equilibrado. El volumen de descarga de los ventiladores forzados, debe de cubrir el total de necesidades de aire de combustión más las fugas de los calentadores de aire. En la mayoría de las instalaciones, se obtiene mayor fiabilidad repartiendo las necesidades totales entre dos ventiladores que funcionan en paralelo. Si un ventilador queda fuera de servicio, el otro normalmente puede mantener el 60 % de la potencia nominal de la caldera, dependiendo 28

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del dimensionado elegido. Para establecer las características necesarias para los ventiladores de tiro forzado, la resistencia del sistema desde el ventilador hasta el hogar, se calcula mediante el peso de aire necesario para la combustión más las pérdidas esperadas desde el lado de aire al lado de humos. La práctica normal es basar los cálculos en una temperatura del aire entrando a los ventiladores de 27 ºC. Los resultados se ajustan para las especificaciones de ensayo del bloque mediante los márgenes dados anteriormente. La selección de los ventiladores de tiro forzado se realiza tomando en consideración los siguientes requerimientos: Fiabilidad. Las calderas deben de funcionar de forma continua durante periodos de tiempo muy prolongados (se pueden alcanzar los 18 meses) sin paradas para reparaciones o mantenimiento. Por tanto los ventiladores deben de tener un rotor muy robusto lo mismo que la carcasa y los cojinetes. El rotor debe de estar bien equilibrado y los álabes deben de tener una disposición de paletas, con perfiles tales que no propicien la acumulación de polvo, que puede ser la causa de desequilibrio. Rendimiento. Es necesario alto rendimiento en todo el rango de operación requerido por el funcionamiento de la caldera. Estabilidad. La presión de descarga del ventilador debe de variar de forma uniforme dentro de todo el rango de funcionamiento. Esto facilita el control de la caldera y asegura unas perturbaciones mínimas del caudal de aire cuando los ajustes de los quemadores provoquen variación en la resistencia del sistema. Cuando funcionan en paralelo dos o más ventiladores, las características de presión en la descarga deben de tener formas similares a las de paletas radiales o a las de álabes curvaos hacia atrás, con objeto de repartir lo mas igual posible la potencia cuando se trabaja cerca del límite de funcionamiento estable. Sobrecarga. Es deseable para los motores de accionamiento de los ventiladores, que tengan una característica que autolimite la potencia, de tal manera que el motor no se pueda sobrecargar. Esto significa que, cerca del punto de funcionamiento, la potencia alcanzará un máximo y luego disminuirá (figura 11). 3.9. VENTILADORES DE TIRO INDUCIDO Las unidades diseñadas para funcionar con hogares de tiro equilibrado, o sin ventiladores de tiro forzado, necesitan ventiladores de tiro inducido para extraer los productos gaseosos de la combustión. El peso de gas que se utiliza para calcular los ventiladores de tiro inducido, es el peso de los productos gaseosos de la combustión a la potencia máxima de la caldera, más las fugas de entrada a la caldera a través del cerramiento, más las fugas de los calentadores de aire desde el lado de aire al lado de humos. La temperatura neta de los humos, se calcula para la potencia máxima de la caldera. Las condiciones de ensayo de los ventiladores de tiro inducido se determinan aplicando unos márgenes sobre los valores calculados, similares a los utilizados para los ventiladores de tiro forzado. Un ventilador de tiro inducido básicamente tiene las misma exigencias que un ventilador de tiro forzado, excepto por el hecho de que manipula gas a una temperatura más alta y que los gases pueden contener partículas sólidas, erosivas, en suspensión. Debe de evitarse un mantenimiento, debido a la erosión, que resulte muy caro, para lo cual se recubre la carcasa e incluso los álabes del rotor con forros de desgaste reemplazables. Debido a su baja resistencia a la erosión, los álabes deben de ser tratados adecuadamente cuando se vayan a utilizar en 29

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ventiladores de tiro inducido. Los álabes son muy propensos a la erosión por el polvo y, en las partes cóncavas, se puede depositar polvo que provoca desequilibrado el rotor, lo mismo que puede producir el desgaste de las paletas. Los cojinetes, generalmente refrigerados por agua, llevan escudos de radiación sobre el eje entre el ventilador y el cojinete par evitar sobrecalentamiento. 3.10. VENTILADORES DE RECIRCULACIÓN DE HUMOS Los ventiladores de recirculación de humos se utilizan para controlar la temperatura del vapor, la absorción de calor en el hogar y la formación de escoria en superficies de trasmisión de

Figura 17: Característica de control del ventilador de álabes de inclinación variable calor. Se localizan generalmente en la salida del economizador, para extraer humos e inyectarlos en el hogar en una localización que depende del efecto buscado.

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Estos múltiples propósitos son también consideraciones importantes en el apropiado dimensionado y especificación de los ventiladores de recirculación de humos. La selección puede ser determinada por la alta presión estática necesaria para controlar la temperatura del hogar a plena potencia de la caldera, o por el gran volumen necesario, a carga parcial, para controlar la temperatura del vapor. Incluso si los ventiladores de recirculación de humos, tienen que hacer frente a los mismos requerimientos que los ventiladores de tiro inducido, hay otros factores que también deben de ser tenidos en cuenta. Los ventiladores de recirculación de humos trabajan a temperaturas más altas y en servicio intermitente, lo que puede provocar contraste térmico y como consecuencia desequilibrio. Cuando el ventilador no está en servicio, para que no se produzca el retroceso de humos desde el hogar, deben de existir cortatiros de aislamiento de alta hermeticidad al mismo tiempo que un sistema de cierre de aire y cuando los ventiladores sean de gran tamaño deben de estar provistos de virador, que lo mantenga girando a baja velocidad para evitar la deformación permanente. 3.11. VENTILADORES DE AIRE PRIMARIO Los ventiladores de aire primario, en las calderas que queman carbón pulverizado, suministran el aire necesario para secar el carbón y transportarlo hasta el hogar. Los ventiladores de aire primario frío, se diseñan para las mismas prestaciones que los ventiladores de tiro forzado. Los ventiladores de aire primario pueden estar localizados antes de los calentadores de aire (sistema de aire primario frío) o después de los calentadores de aire (sistemas de aire primario caliente). Los sistemas de aire primario frío, tienen la ventaja de trabajar con un caudal volumétrico más bajo para el mismo flujo másico. Este método presuriza el lado de aire de los calentadores de aire y hace que las fugas hacia el lado de humos sean mayores. Los sistemas de aire primario caliente evitan este problema, pero necesitan ventiladores de más potencia porque esta es proporcional al caudal volumétrico. 3.12. FUNCIONAMIENTO DE LOS VENTILADORES Los ventiladores requieren inspecciones frecuentes para detectar y corregir las irregularidades que pueden producir problemas. Sin embargo deben de soportar largos periodos de operación continua. Todo esto se asegura mediante una lubricación apropiada y refrigeración del eje y cojinetes. Un ventilador debe de estar bien equilibrado, tanto estática como dinámicamente, para asegurar en funcionamiento “suave”. El equilibrado debe de ser comprobado después de cada parada para mantenimiento. Los ventiladores que manejan humos con partículas abrasivas están sometidos a erosión. Para reducir tal desgaste deben de utilizarse forros o materiales resistentes a la abrasión. En algunos casos se aplican recargues de soldadura para rellenar los desgastes. 3.13. VENTILADORES DE FLUJO AXIAL Una forma de reducir el consumo energético de los ventiladores es instalar ventiladores axiales con paletas de inclinación variable. En la figura 16 se compara la potencia consumida por los ventiladores de tiro forzado, los ventiladores de aire primario y los ventiladores de tiro inducido para una unidad de 500 MW de carbón pulverizado utilizando ventiladores de flujo axial de paletas de inclinación variable y utilizando ventiladores centrífugos de paletas curvadas hacia atrás con cortatiros radiales en la entrada. A la potencia del 100 % de la nominal el ahorro 31

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energético es del orden de 4000 kW que representa el 7 % del consumo total de servicios auxiliares.

3.14. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERÍSTICAS DE CONTROL En la figura 15 se muestran las características de funcionamiento de un ventilador de flujo axial de paletas de inclinación variable. Las principales circunstancias que se pueden observar de la figura son las siguientes: 1. Las zonas de rendimiento constante son paralelas a la linea de resistencia de la caldera, resultando un rendimiento alto para un amplio rango de potencias de la caldera. 2. Hay una zona bastante amplia, tanto hacia arriba como hacia abajo, del área de máximo rendimiento, que permite que el ventilador sea diseñado para las condiciones netas de la caldera, mientras el punto de prueba permanece dentro de esta zona. 3. Las lineas de ángulo de inclinación constante de las paletas tienen una inclinación bastante

Figura 18: Curvas de bombeo pronunciada, un cambio en la resistencia produce un cambio muy pequeño en el caudal. 4. Cuando la inclinación de las paletas va desde el mínimo hacia el máximo, la variación del caudal es prácticamente lineal, como se puede ver en la figura 17. Las condiciones de los dos últimos hacen que el control del ventilador y de la caldera sean estables.

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3.15. FUNCIONAMIENTO EN PARALELO Los ventiladores de flujo axial de paletas de inclinación variable pueden funcionar en paralelo, teniendo cuidado de evitar que cualquiera de los ventiladores funcione en la zona de desprendimiento de flujo. Con dos ventiladores en funcionamiento, la linea de resistencia de un ventilador está influenciada por el otro ventilador así como por las condiciones de la caldera. Los dos ventiladores en paralelo deben de dar la misma presión estática para vencer la resistencia de la caldera, pero los caudales de ambos no tienen porqué ser iguales. Sin embargo, para obtener el rendimiento máximo para cada ventilador y al mismo tiempo funcionar lejos de la linea de desprendimiento, es mejor mantener los dos ventiladores funcionando en paralelo a las condiciones de diseño. El control lógico sugerido para arranque, parada y supervisión del funcionamiento de los ventiladores axiales de paletas de inclinación variable, de tiro forzado y de tiro inducido es muy similar al de los ventiladores centrífugos. Un requisito lógico adicional es evitar daños en el ventilador mientras se mantiene abierto el camino al flujo desde la caldera para evitar excursiones de presión en el hogar. 3.16. CARACTERÍSTICAS DE DESPRENDIMIENTO Los ventiladores axiales tienen una única característica llamada desprendimiento. El desprendimiento es el fenómeno aerodinámico que se produce cuando un ventilador funciona más alla de sus límites de funcionamiento y entonces el flujo se separa de la superficie de las paletas o álabes. Si sucede esto el ventilador se vuelve inestable y no vuelve a funcionar dentro de su curva normal de funcionamiento. Se debe de evitar el funcionamiento prolongado en la región de desprendimiento. Se producen vibraciones impredecibles que pueden causar daños en las paletas de inclinación variable. Las curvas de la figura 18 marcadas con A, son las de funcionamiento normal para una inclinación constante de las paletas. Cada ángulo de las paletas tiene su punto de desprendimiento

Figura 19: El desprendimiento con relación al comportamiento de la caldera

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individual, identificado como S en el diagrama. La curva C conecta todos los puntos “S” de desprendimiento, y se suele llamar linea de desprendimiento. Las curvas de trazos B son los caminos que seguirá el ventilador cuando se alcancen condiciones de desprendimiento, para tres ángulos distintos de las paletas. La figura 19 explica el fenómeno del desprendimiento relacionando los sistemas de caldera y ventilador. Si la resistencia normal de la caldera (curva B) aumenta por alguna razón (por ejemplo una excursión de la presión de caldera debida a un disparo de combustible) el punto de funcionamiento normal X se desplaza hacia el encuentro de otra curva de mayor resistencia B1 viajando a lo largo de la curva del ventilador A, cuando llega al punto S se produce desprendimiento. Desde ese momento el ventilador sigue la curva de funcionamiento en condición de desprendimiento, D, hasta que encuentra el punto X1 en la intersección con la nueva curva de resistencia del sistema, B1. Cuando la resistencia del sistema se reduce a la curva B, el ventilador se recupera del desprendimiento y vuelve a su funcionamiento normal en la curva A. En el caso de una perturbación como la descrita anteriormente, los ángulos de inclinación de las paletas se pueden reducir hasta que el ventilador recupera la estabilidad. El ventilador será estable cuando la nueva curva de funcionamiento A1 tenga un punto de desprendimiento S más alto que la resistencia del sistema (curva B1). 3.17. PREVENCIÓN DEL DESPRENDIMIENTO Cuando los ventiladores axiales están adecuadamente dimensionados y la resistencia del sistema es una curva de perfil parabólico, hay poca probabilidad de que se produzca desprendimiento. La posibilidad de desprendimiento aumenta si se sobredimensiona el ventilador con relación a su capacidad volumétrica, si la resistencia del sistema aumenta de forma importante o si el ventilador es operado de forma inadecuada. El grado de protección del sistema de control respecto al desprendimiento depende de la filosofía del propietario. Las necesidades mínimas para una operación satisfactoria son una monitorización continua de la presión de descarga y el caudal o inclinación de las paletas. 3.18. DISPOSICIÓN DE LOS VENTILADORES Los ventiladores de flujo axial diseñados actualmente para los grandes generadores de vapor de combustibles fósiles son compactos y relativamente ligeros. Mediante la concentración de las partes de trasmisión de potencia en un rotor de un radio relativamente pequeño, se obtiene un momento de inercia relativamente bajo. El peso relativamente bajo, y el que las fuerzas de desequilibrio y de inercia sean relativamente bajas, posibilita que los ventiladores de flujo axial puedan ser dispuestos horizontalmente o verticalmente. Esto permite una gran flexibilidad de en cuanto a la disposición. La instalación normal a nivel del suelo solo necesita una fundación que no tiene que cumplir excesivos requisitos. La disposición horizontal es la más utilizada para los ventiladores de aire primario y de tiro forzado. Los ventiladores inducidos se pueden disponer de forma horizontal o vertical en el interior de la chimenea, cuando no hay espacio suficiente. 3.19. DESGASTE DE LAS PALETAS DE LOS VENTILADORES DE TIRO INDUCIDO El desgaste de las paletas de los ventiladores de tiro inducido depende de la cantidad y características de partículas de polvo arrastradas por los humos (hay que incluir los aumentos repentinos debidos a malfunciones de los precipitadores electrostáticos) como son la dureza, la distribución de tamaños, la velocidad relativa, el material de las paletas y el ángulo de ataque. El diseñador no tiene posibilidades de actuación sobre las tres primeras y debe de buscar otras 34

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formas de luchar contra el desgaste. El desgaste en los ventiladores de flujo axial de paletas de inclinación variable, es más uniforme. Si se elije un ventilador de dos etapas, de velocidad relativamente baja, en lugar de uno de una sola etapa de alta velocidad, la abrasión será más baja. Se deben de utilizar materiales resistentes a la abrasión en las zonas más propensas a desgaste. Las paletas deben de ser fácilmente recambiables para permitir un reemplazamiento rápido. 4. CALENTADORES DE AIRE Los calentadores de aire se utilizan en los generadores de vapor para recuperar calor a temperaturas inferiores a las económicamente posibles en el economizador. La temperatura mínima en el economizador viene definida por la temperatura del agua de alimentación, mientras que en los calentadores de aire, la temperatura mínima de salida de los humos está limitada por el ensuciamiento y corrosión debidos a las condensaciones. Además de precalentar el aire para secar el carbón y mejorar el rendimiento de la combustión, el calentamiento de aire logra una mejora del rendimiento de la caldera que se puede cifrar en un 1 % por cada 22 grados de aumento de temperatura del aire. No se pueden considerar guías absolutas sino que habrá que tener en cuenta las particularidades de cada instalación, pero de todos modos se dará una visión del diseño, operación y control de los más utilizados. 4.1. TIPOS DE CALENTADORES DE AIRE Hay dos tipos básicos de calentadores de aire: Recuperativo: En el cual el flujo de humos se desliza sobre una superficie de una placa o tubo, mientras el aire se desliza sobre la cara opuesta. La transmisión de calor tiene lugar a través del espesor del metal que separa las dos caras. Estos son estáticos, tienen unas fugas teóricas bajas desde el lado de aire al lado de humos a través de juntas de expansión puertas y carcasas. Es posible encontrar algún tipo de calentadores de este tipo en unidades de baja potencia, aunque también se pueden encontrar en unidades de potencia considerable, para calentar el aire primario. Son de tamaños relativamente grandes, difíciles de limpiar y prácticamente no es posible la sustitución de partes dañadas. Regenerativo: En los cuales los humos circulan a través de una matriz cuya temperatura aumenta y posteriormente es atravesada por el aire, que se caliente y disminuye la temperatura de la matriz. Ya sea la matriz o los conductos de aire tienen que ser rotativos para hacer posible la forma de funcionamiento. En consecuencia aparecen problemas de sellado entre las partes móviles y fijas, debidas a las presiones diferenciales entre el aire y los humos. La mayor parte de los calentadores de aire son de este tipo y suelen funcionar en contracorriente, con el aire en sentido ascendente y los humos en sentido descendente. Las ventajas de los regenerativos sobre los recuperativos son: 1 Reducción importante en tamaño y peso. 2 Facilidad de reemplazar las superficies de calentamiento utilizando distintos componentes para el lado frío y el lado caliente. 3 Cantidad de metal relativamente pequeña que hace económicamente posible la utilización de aceros aleados e incluso de elementos esmaltados en el lado de baja temperatura. 4 La temperatura mínima del lado frío de los calentadores regenerativos es superior que la del mismo lado de los calentadores recuperativos, funcionando en las mismas condiciones. Esta temperatura del metal oscila entre 22 ºC por encima y por debajo de la media entre la de entrada de aire y la de salida de humos y no disminuye por efecto de los depósitos como ocurre en los calentadores recuperativos.

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Figura 20: Calentador de aire tipo Ljungstrom 5

La perforación de los elementos calefactores (de la matriz) no afecta al rendimiento del calentador hasta que se hayan desintegrado. De todos modos tienen las siguientes desventajas, todas ellas causa de una disminución 36

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de la potencia de la unidad: 1 Partes móviles, que pueden ser motivos de parada por avería. 2 Fugas de aire hacia los humos y de humos hacia el aire debido al cambio de aire a humos y fugas de aire hacia los humos debidas a la presión diferencial aire-humos. Estas fugas de aire son importantes y afectan a la cantidad de gas que deben de manipular todos los ventiladores. 3 Los depósitos en los elementos de la matriz, aunque sean relativamente finos, reducen el área de flujo e incrementan la caída de presión. 4.2. CALENTADORES DE AIRE RECUPERATIVOS TUBULARES Se pueden utilizar para calderas de carbón pulverizado o para combustibles líquidos derivados del petroleo. Los tubos suelen ser de acero con diámetros comprendidos entre 37 y 62 mm. Si los humos fluyen a través de los tubos, son aconsejables los diámetros mayores para minimizar el riesgo de obstrucción. Los tubos pueden estar dispuestos horizontalmente o verticalmente, la ventaja de los tubos verticales es que evitan el depósito de polvo que dificulta la trasmisión de calor. Los calentadores de aire se pueden dividir en una sección de alta temperatura con tubos hasta 12 m de longitud y una sección de baja temperatura con tubos hasta 4,5 m de longitud, lo que simplifica la reparación de los tubos susceptibles de corrosión. Se suele utilizar un solo paso o dos por el lado de humos y varios pasos por el lado de aire según la disposición del conjunto de la planta. El volumen ocupado por estos calentadores recuperativos es del orden de nueve veces el necesario en un calentador regenerativo y el peso suele ser el doble. Su construcción resulta simple y robusta y es la única razón para que sigan siendo utilizados para el calentamiento de aire primario. Aunque en la actualidad existen dificultades para alcanzar la potencia en los grupos de 550 MW, debidas a los calentadores de aire regenerativos. Por el momento, no se vislumbra ningún avance tecnológico para sustituirlos por otra forma de recuperación de calor. 4.3. CALENTADORES DE AIRE RECUPERATIVOS DE PLACAS Están formados por placas paralelas entre las que circulan alternativamente aire y humos. La separación idónea entre placas para el caso de calderas de carbón pulverizado está entre 12 y 16 mm para los pasos de humos y en 12 mm para los pasos de aire. Es necesario la utilización de espaciadores entre las placas para mantener las distancias adecuadas y evitar la formación de depósitos y corrosiones en zonas que son prácticamente inaccesibles para reparación. Es muy importante una buena distribución del aire y los humos sobre todo en el extremo de baja temperatura, para evitar zonas frías donde se pueda iniciar la corrosión. Si existe algún cambio de dirección antes de la entrada al calentador deben de colocarse placas de fraccionamiento o direccionamiento del flujo. Generalmente los conductos de entrada se diseñan de tal manera que no tengan cambios de dirección. La temperatura mínima de las placas se puede mejorar para reducir la corrosión, recirculando un determinado porcentaje de aire caliente desde la salida hasta la entrada. Durante los arranques y periodos de baja carga, se suele utilizar el bypas de aire para evitar temperaturas bajas en el calentador de aire. 4.4. CALENTADORES DE AIRE REGENERATIVOS TIPO LJUNGSTROM El diseño original de Ljungstrom data de 1920. En contraste con los calentadores de aire recuperativos, el calor no se transfiere a través de una pared de una placa o de un tubo, sino que es absorbido y cedido por la misma superficie. La totalidad de los elementos que intervienen en 37

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la transferencia de calor gira de forma continua pasando alternativamente por las corrientes de humos y de aire. En la figura 35 se puede ver la disposición de elementos de un calentador de este tipo. El peso de cada calentador para una unidad del orden de 600 MW, puede ser del orden de 500 t y está soportado por una estructura apoyada en el suelo. El rotor de acero medio es la parte central del calentador de aire y contiene la matriz de trasmisión de calor. Existen 24 placas radiales que dividen el calentador en 24 sectores que a su vez se subdividen en los contenedores de los elementos calientes, intermedios y fríos. En la zona más fría del rotor hay rejillas soldadas entre las separaciones radiales, formando el alojamiento de los elementos de la matriz, lo que permite la extracción de los mismos sin que se vean afectados los superiores de las zonas caliente e intermedia. Los elementos de la zona fría tienen una vida mas corta, debido a los efectos combinados de corrosión ensuciamiento y soplado. El peso del rotor suele ir soportado en la parte inferior mediante un cojinete de empuje esférico,

Figura 21: Distorsión de los calentadores de aire mientras en la parte superior hay un cojinete radial que se encarga de soportar los empujes radiales. El rotor está envuelto en una carcasa que lleva el aislamiento y soporta los sistemas de soplado, de lavado y de extinción de incendios. Los cuatro conductos de transición llevan el aire y los humos a y desde el calentador de aire. Como el calentador está soportado en una estructura apoyada en el suelo, debe de preverse la dilatación diferencial entre el calentador y la caldera (está colgada de la parte superior de una estructura). Normalmente se utilizan juntas de expansión en los conductos. La forma de soporte del calentador consiste en vigas de gran altura que soportan el cojinete de empuje (cojinete soporte) y pilares extremos que soportan la carcasa. Hay conexiones mediante pernos y soldadura que enlazan las dos estructuras soporte de manera que constituyan un conjunto único. 38

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En funcionamiento, el rotor toma una distorsión como se puede ver en la figura 21 en la que la carcasa y las partes de cierre no rotativas permanecen indeformables, lo que provoca roce en el lado frío y en el cierre axial, al mismo tiempo que un aumento de las holgura en el lado caliente. Con objeto de evitar el roce y minimizar las fugas desde el aire al humo, debidas a la presión diferencial aire-humos, se puede utilizar un sistema de cierres ajustable. El sistema de cierres consta de superficies estacionarias ajustables soportadas por la carcasa que tienen forma de sector para los cierres radiales superiores e inferiores y de placas circunferenciales axiales para los cierres axiales. En los nervios divisores radiales del rotor van situadas láminas de chapa tanto en la parte superior como en la inferior que cierran contra las placas de forma de sector. En las generatrices longitudinales de la periferia van colocadas las láminas que hacen el cierre contra las placas circunferenciales axiales. Las placas sector y las placas axiales pueden ser ajustables de forma automática; en la parte superior en la periferia se montan los sensores que darán una señal proporcional a la holgura entre el rotor y la placa-sector. La señal de los sensores se utiliza par adaptar la posición de la placa-sector a la deformación del rotor. También se puede actuar de forma similar con la placa axial. De todos modos los cierres de ajuste automático, no han dado resultados satisfactorios. Los valores de fugas típicos pueden estar en el orden del 10 % en los calentadores principales (de aire secundario) y pueden llegar al 40 % en los calentadores de aire primario. También hay fugas que bypasan los elementos activos de calentador de aire, que se producen a lo largo de las generatrices, del rotor,. Para minimizar estas fugas hay unos cierres circunferenciales entre el perímetro de la parte superior del rotor y la carcasa y lo mismo en la parte inferior, formados por láminas sujetas a la carcasa que cierran contra los nervios circunferenciales. El rotor gira a una velocidad del orden de una revolución por minuto, accionado por un motor eléctrico de una potencia del orden de 15 kW mediante una doble reducción con un acoplamiento flexible, lleva también un accionamiento neumático para caso de emergencia y un accionamiento manual para mantenimiento Si como se dijo anteriormente, el rotor tiene 24 radios, sobre cada uno de los cuales se sujeta una lámina de cierre, y la placa-sector tiene un ángulo de 15 º, solamente puede haber de cada vez una lámina haciendo cierre sobre la placa-sector. Sin embargo se ha comprobado que cuando hay dos radios haciendo cierre simultáneamente, las fugas disminuyen. Esto puede ser de particular importancia, cuando se utilizan calentadores de aire separados para el aire primario. Hay que hacer notar que en algunos casos los calentadores tienen 12 sectores y la placa sector un ángulo de 30 º. En cuanto a la superficie de trasmisión de calor de los calentadores de aire, a los que nos venimos refiriendo en este apartado, es superior a los 51000 m2 y se compone de tres partes. El extremo frío tiene una altura del orden de 0,3 m y está formada por chapas de 0, 8 mm que tienen forma plana con pliegues que hacen de espaciadores entre placas. Las zonas caliente e intermedia son cada una de 0,8 m de altura y están hechas de chapas de acero medio de 0,5 mm empaquetadas en pares donde una de las chapas está ondulada y la otra tiene pliegues. La disposición relativa de ondulaciones y pliegues provoca una alta turbulencia que mejora el coeficiente de trasmisión de calor. En el pasado se dotaba de profundidad adicional a cada una de las partes para aumentar la superficie de intercambio de calor. Esta práctica, se ha abandonado en las plantas de nuevo diseño, en las que las toberas de los sopladores de limpieza están demasiado lejos de los elementos. Todos los elementos se fabrican en paquetes compactos para facilitar la extracción y sustitución. 39

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4.5. CALENTADORES DE AIRE REGENERATIVOS TIPO ROTHEMUHLE Este tipo de calentadores funciona según el mismo principio que el calentador Ljungstrom. La superficie de intercambio de calor está en el estator (figura 22) , y situadas encima y debajo de la superficie de trasmisión de calor, están las parejas de campanas accionadas por el mismo eje central. Los humos calientes procedentes de la salida del economizador entran en el calentador de aire por la parte superior y atraviesan en sentido descendente los elementos del estator cediendo su calor. El aire frío procedente de los ventiladores de tiro inducido es conducido a través de las campanas, que giran a baja velocidad, hacia la parte inferior del estator, que es atravesado en sentido ascendente y le cede el calor que anteriormente había tomado de los humos. En la parte superior del estator es recibido por otra campana simétrica de la de entrada respecto

Figura 22: Parte fija activa de un calentador de aire tipo Rothemuhle al plano central horizontal del estator. Para reducir a un mínimo las fugas del aire hacia los humos se dispone de una serie de cierres deslizantes (figura 23). El calentador mostrado corresponde a una unidad de 660 MW de fuel-oil y tiene unos 14 m de diámetro. El calentador de aire está soportado por una estructura de acero apoyada en el suelo de la unidad, y necesariamente debe de disponer de juntas de expansión entre los conductos y la unidad de caldera. El estator es en su totalidad de estructura soldada y comprende la carcasa externa, el cubo interno (de alojamiento del eje) y las placas de división tal como se muestra en la figura 22. Está dividido en siete anillos por placas circunferenciales y en un número determinado de celdas por 40

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placas radiales. Cada campana de aire consta de una estructura de acero con forma circular en el

Figura 23: Sistema de cierres del calentador de aire tipo Rothemuhle acoplamiento con el tubo y terminada en dos sectores que presionan haciendo cierre sobre el estator. Cada estructura de campana está soportada sobre otra estructura cilíndrica enchavetada al eje de giro. En la figura 23 se muestra un despiece del conjunto que compone el cierre de cada campana contra la cara del estator. 41

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Es un requisito de cualquier tipo de calentador de aire que no sea necesario el ajuste de los cierres cuando cambien las condiciones de funcionamiento. Se han hecho muchos esfuerzos para revisar los diseños y reducir las pérdidas. Se pretende reducir las perdidas totales a valores del orden del 5 % en los calentadores de aire secundario y al 10 % en los de aire primario. Los dos cojinetes que lleva el eje tienen un sistema de lubricación forzada con aceite y el aceite se refrigera mediante soplado con aire en un radiador. El accionamiento de la unidad consta de un motor eléctrico y un reductor montados verticalmente en una estructura situada en el exterior del estator. Hay sopladores montados tanto en la campana superior como en la inferior dispuestos para soplar sobre la zona donde están pasando los humos. La superficie de trasmisión de calor mostrada en la figura 22 consta de paquetes de chapa de 0,8 mm. Cada paquete contiene alternadamente placas corrugadas verticales y diagonales. El conjunto produce turbulencia y consecuentemente altos coeficientes de trasmisión de calor. 4.6. CALENTADORES DE AIRE MEDIANTE VAPOR O PRECALENTADORES Los calentadores de aire con vapor se instalan en la corriente de aire antes de la entrada a los calentadores regenerativos con el objeto de aumentar la temperatura del lado frío en las épocas de bajas temperaturas y reducir la corrosión debida a condensaciones. Hay varios diseños y cada uno consta de bancos de tubos con aletas a los cuales llega vapor débilmente sobrecalentado que se condensa y cede su calor al aire que circula por el exterior.

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