Calderas de Recuperación

Una caldera es un aparato a presión, donde el calor procedente de un combustible o de otra fuente de energía se transforma en energía térmica, utilizable a través de un fluido caloportador en fase líquida o vapor.Las calderas que se utilizan en las plantas de cogeneración son calderas que recuperan el calor contenido en los gases de escape de la máquina térmica de combustión (motor o turbina de gas). En ellas se calienta agua, que se convierte en vapor y que se utilizar para mover una turbina de vapor y/o como fluido caloportador que aporta calor a alguna fase del proceso industrial al que está asociada la planta de cogeneración. Son el elemento de unión entre la generación de electricidad y la generación de calor útil.

1.1.1 Parámetros característicos de los generadores de vapor

Cuando una caldera se utiliza para producir vapor, se la puede llamar generador de vapor.

Los parámetros más importantes que definen las características de un generador de vapor son los siguientes:

A) Presión efectiva:

En la práctica se suelen clasificar en:

  • Baja presión               p< 20 kg /cm2
  • Media presión             20 kg /cm2 <p< 64 kg/cm2
  • Alta presión                p>64 kg/cm2 

B) Capacidad

Se suele medir por el caudal de vapor (toneladas por hora, t/h) producido a una presión y temperatura determinadas, para una temperatura dada del agua de alimentación de la caldera. A veces se indica por la potencia térmica aprovechada o del combustible.

C) Superficie de calefacción

Es la superficie a través de la cual tienen lugar los procesos de transmisión de calor (gases calientes-agua/vapor). Puede dividirse en:

  • Superficie de transmisión directa: en ella es dominante la transmisión de calor por radiación.
  • Superficie de transmisión indirecta: en ella es dominante la transmisión de calor por convección.

La superficie de calefacción está limitada en cuanto a sus dimensiones por los siguientes factores:

  • Los gases de combustión no deben enfriarse por debajo de su punto de rocío ácido a fin de evitar condensaciones que faciliten la corrosión (en combustibles con contenido de azufre significativo, como carbón o fuel esta temperatura está en el entorno de 140 ºC, mientras que en las calderas de gas natural esta temperatura es de 50-60 ºC)
  • Un enfriamiento excesivo de los gases calientes conlleva una pérdida de tiro en el caso de calderas de tiro natural, debiéndose de introducir un mecanismo de tiro forzado.
  • Una vez que los gases calientes se enfrían por debajo de cierta temperatura un aumento de superficie de transmisión es poco rentable pues la cantidad de calor disponible es muy pequeña (la transferencia de calor está en relación directa con el salto térmico).

E) Producción específica de vapor

Es la relación entre la producción de vapor y la superficie de calefacción.

F) Índice de vaporización

Es la masa de vapor producida por unidad de masa de combustible utilizado para su producción (depende del rendimiento basado en el PCI del combustible utilizado). El índice de vaporización es el inverso del consumo específico de combustible, definido como la masa de combustible que utiliza la caldera para producir una unidad de masa de vapor, en las condiciones nominales de trabajo (presión y temperatura del vapor determinadas y una temperatura del agua de alimentación dada). 

1.1.2 Clasificación de las calderas

Las partes fundamentales de una caldera son:

  • Cámara de combustión u hogar, donde se realiza la combustión
  • Cuerpos de intercambio, donde se transfiere el calor de los gases calientes al fluido caloportador.
  • Quemadores
  • Envolvente o carcasa que aísla el cuerpo intercambiador del exterior.
  • Conjunto de elementos auxiliares y de control de la caldera

Las calderas pueden ir dotadas de los siguientes componentes externos o no al cuerpo de la misma:

  • Economizador: Intercambiador de calor que precalienta el agua de entrada a la caldera, tomando calor de los humos o gases de escape.
  • Recuperadores o regeneradores de calor: Intercambiadores de calor, que precalientan el aire de entrada a la cámara de combustión a partir de los gases de escape.

Las calderas o generadores de vapor que producen vapor sobrecalentado, (que es utilizado en la mayoría de las turbinas de vapor) llevan incorporadas a la misma un sobrecalentador o cambiador de calor que genera el vapor sobrecalentado a partir del vapor saturado producido en el vaporizador de la caldera.

Las calderas pueden clasificarse atendiendo a distintos conceptos:

  • Por la fuente de energía utilizada:
    • Calderas de combustión, en las que el calor proviene directamente de la combustión de un combustible.
    • Calderas de recuperación, en las que el calor procede de un fluido a alta temperatura (gases calientes).
    • Calderas mixtas.  En el caso de estar situadas en el escape de turbinas de gas, algunas calderas suelen incorporar también un quemador, con lo que son simultáneamente de recuperación y combustión.
  • Por el fluido caloportador:
    • Calderas de agua caliente.
    • Calderas de agua sobrecalentada
    • Calderas de fluidos térmicos.
    • Calderas o generadores de aire caliente.
    • Calderas de vapor
  • Dentro de los generadores de vapor se distinguen:
    • Calderas de vapor saturado
    • Calderas de vapor sobrecalentado
    • Por el material constructivo:
    • Calderas de fundición
    • Calderas de acero
  • Por el tipo de tiro:
    • Tiro natural (hogar en depresión).
    • Tiro forzado (cámara de combustión presurizada).
  • Por el tipo de circulación:
    • Circulación natural
    • Circulación forzada
  • Por su disposición:
    • Horizontales. La dirección del flujo de gases es horizontal y los haces tubulares se disponen transversalmente, es  decir, son verticales.
    • Verticales. La dirección del flujo de gases es vertical, mientras que los haces tubulares se disponen transversalmente, es  decir, son horizontales o inclinados.

 Fig 2.50 Disposiciones de calderas acuotubulares

  • Por el tipo de funcionamiento:
    • Pirotubulares (agua envolviendo al hogar. Los gases calientes circulan por el interior de tubos, que están inmersos en el agua.
    • Acuotubulares (agua /vapor por el interior de los tubos y los gases de combustión por fuera de los mismos)

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