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Caldera Subcrítica Centrales Térmicas y Cogeneración (Universitat Politecnica de Valencia)

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CALDERA SUBCRÍTICA Las calderas subcríticas han sido las calderas construidas en los últimos 40 años. Se trata de un gran intercambiador entre un proceso de combustión y un circuito líquido-vapor. Dentro de la misma se tienen diversos mecanismos de transmisión de calor , según la posición en la que se esté dentro de la caldera estará más potenciado uno que otro. Existen dos tipos de calderas:  Pirotubulares: los humos circulan por dentro de los tubos, los cuales están contenidos en un volumen de agua presurizado. Presenta el problema de tener un depósito de agua creciente con la potencia; a altas potencias se tendría un depósito muy grande y muy caro. Además tener un volumen de agua presurizado tan grande lleva problemas de seguridad asociados, debido a los peligros de rotura que presentaría. Como ventaja tiene que puede trabajar con agua de peor calidad. Por otro lado, al tener en el volumen toda el agua se fuerza a que esté en estado saturado, no pudiendo dar vapor sobrecalentado. Por lo tanto suele utilizarse en baja potencia. 

Acuotubulares: el agua circula por lo tubos, los cuales están contenidos en un volumen donde se tienen los humos de la combustión. Presenta la ventaja de tener un volumen más reducido de agua, con una gravedad menor en caso de fuga. Sin embargo presenta los inconvenientes de las pérdidas de carga en los tubos y su difícil limpieza, por lo tanto se debe utilizar agua de gran calidad. Esta caldera puede generar vapor sobrecalentado al sistema. Por lo tanto suele utilizarse en alta potencia.

En las centrales térmicas, debido a la gran potencia necesaria se utilizan las calderas acuotubulares. Los tubos de las calderas están sometidas considerables presiones y temperaturas de trabajo. Los tubos deben soportar las altas temperaturas asociadas a la combustión, hasta 700ºC. Por lo tanto se necesitan materiales con gran resistencia mecánica y que consigan un equilibrio entre las pérdidas de carga y el coste. Se tiene que el calor que recibe de la combustión es principalmente soportado por la temperatura del tubo. Esto es porque la superficie está fijada, el coeficiente de convección en un tramo determinado y condiciones de funcionamiento es fijo, y la temperatura del fluido viene impuesta por el cambio de fase en el ciclo.

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Pau Carnero 4º GIE Si necesitas más apuntes puedes encontrarlos en Unybook.com buscando el usuario "pcarnero" Además de las altas temperaturas, los tubos están expuestos a la posibilidad de tener depósitos. En caso de ser exteriores, cenizas y escorias, se tiene un efecto aislante exterior, por lo que el calor que recibe el ciclo de agua-vapor es menor. Esto lleva asociado un descenso en las prestaciones, y puede ser resuelto mediante el uso de sopladores de aire. Sin embargo, si los depósitos son interiores, minerales, se tiene un efecto negativo sobre el coeficiente de transmisión de calor debido al efecto aislante interior. Por lo tanto, la temperatura del tubo aumenta al no poder transmitir el calor recibido, pudiendo ocasionar un eventual quemado del tubo. Para evitar esto se debe utilizar agua de gran calidad.

Transmisión de calor en el tubo A parte de las variaciones en el coeficiente de convección asociadas a los depósitos interiores, se tiene una variación del mismo propia del funcionamiento normal de la caldera. Según la composición líquido-vapor que se tenga en cada zona del tubo se tendrá un valor del coeficiente de transmisión de calor. Cuando se tiene líquido únicamente, el coeficiente de convección es pequeño. A menudo que van apareciendo burbujas de vapor, ebullición nucleada, se absorbe el calor latente de vaporización y aumenta el coeficiente de transmisión hasta su valor máximo. Sin embargo, al final de la vaporización se produce el efecto inverso. Se acumula el vapor en las zonas pegadas al tubo, ebullición pelicular, actuando como un aislante e impidiendo que el calor llegue a evaporar el líquido que queda en el centro del tubo. Por lo tanto, el coeficiente de transmisión disminuye hasta un mínimo habiendo un riesgo notable de quemado de tubo. A modo general se tiene que cuando hay burbujas estas actúan como un sumidero de calor, y cuando no las hay el calor debe avanzar hasta encontrar una mayor turbulencia en el centro de la tubería, perdiendo nivel térmico en el proceso. Por lo tanto, la capa límite en este proceso es determinante. Para evitar el indeseado quemado de tubo se debe limitar la ebullición pelicular; esto es, el acumulado de vapor en la periferia del tubo. Una solución es aumentar la turbulencia en esas zonas mediante la instalación de tubos nervados. Estos rompen la película de vapor y mediante el efecto centrífugo mantienen el agua contra las paredes favoreciendo la homogeneización y la evaporación completa. Se instalarán estos tipos de tubos sobretodo en lugares donde se deba potenciar la evaporación, esto es, en el vaporizador . En una caldera hay puntos diferenciados según lo que se desee conseguir en él. Por ejemplo, hay zonas del circuito líquido-vapor en que se desea tener una vaporización del líquido saturado y otras en las que se desea tener un sobrecalentamiento del vapor. Por lo tanto, en 2

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Pau Carnero 4º GIE Si necesitas más apuntes puedes encontrarlos en Unybook.com buscando el usuario "pcarnero" las zonas en las que se desee tener una vaporización conviene centrar el máximo aporte de calor; es decir, hacer coincidir la ebullición nucleada con el aporte máximo de calor. De este modo se aprovecha el máximo dado que se recibe el máximo calor cuando se puede transmitir el máximo. Se tienen dos tipos de configuraciones de calderas según la tipología del circuito líquido-vapor. En primer lugar se tienen las calderas con calderín, en las que se tiene una separación del líquido y vapor en dos fases bien diferenciadas. Esto permite asegurar que al sobrecalentador irá vapor seco. Además en caso de haber una variación de carga y verse modificado el caudal de vapor, el calderín seguirá separando las fases y en conjunto se tendrá un funcionamiento estable, dado que el punto de cambio de fase sigue estando en el mismo lugar. Como añadido se tiene que el calderín permite tener localizados los depósitos minerales. Las calderas monotubo, son mucho más sensibles a los cambios de carga, dado que el punto de cambio de fase varia con la misma. Esto quiere decir que se puede llegar a tener un coeficiente de transmisión de calor pobre en zonas de gran aporte térmico, con el consiguiente problema de quemado de tubo. Esto obliga a tener unos tubos de mayor calidad que puedan soportar esas variaciones, además al no tener una localización de los posibles depósitos minerales se debe emplear agua de mucha mayor calidad. El interés de las calderas monotubo reside en los modos de trabajo supercríticos. Al no haber cambio de fase no tiene sentido el uso del calderín. En estos modos se tiene una potencia muy elevada que compensa el sobrecoste de los tubos de mayor calidad. Sin embargo, dado que se están estudiando las calderas de centrales térmicas subcríticas, se centrará en la configuración con calderín. El esquema general de una caldera subcrítica es el siguiente:

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Pau Carnero 4º GIE Si necesitas más apuntes puedes encontrarlos en Unybook.com buscando el usuario "pcarnero" Se puede desglosar en los diferentes componentes: 

Circuito vaporizador: se intentará hacer coincidir estas zonas con la ebullición nucleada. Según la presión de trabajo la circulación del fluido por los vaporizadores será mediante temosifón o será necesaria la instalación de bombas. En las centrales térmicas convencionales suele haber de 5 a 20 quemadores. Conviene destacar que es preferible tener una caldera con muchos tubos con poca altura que al revés. El título de vapor máximo que se suele tener al final de la vaporización es del orden de 0,8.

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Calderín: El calderín debe servir como separador de fases líquido-vapor, como concentrador de residuos y como volumen tampón para cambios de carga. Al crecer la presión de trabajo, persiguiendo un rendimiento mayor, se tiene una menor diferencia entre la densidad del líquido y la del vapor. Por lo tanto puede ser necesaria la instalación de pantallas separadoras y ciclones para poder generar aceleraciones superiores a la gravedad que favorezcan la separación de fases. Una de las labores más importantes llevadas a cabo por el calderín es poder absorber los cambios de carga. Si se baja la carga desde el punto nominal, entra menos gasto de vapor a la turbina; sin embargo, los vaporizadores y el calderín presentan gran inercia y siguen produciendo la misma tasa. Esto produce que se aumente la presión a la entrada de la turbina. Para ajustar esto suele reducirse el caudal de agua de alimentación de la caldera. Luego si el transitorio dura demasiado podría caber la posibilidad que los vaporizadores y el calderín se quedaran sin líquido, con el posible quemado de los tubos. Esto fuerza a que el calderín tenga un volumen grande para poder hacer de colchón en los transitorios y, además, poder espaciar más las purgas al poder soportar la acumulación de más impurezas.

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Sobrecalentadores y recalentadores: en estos elementos se lleva a cabo el aumento de la temperatura del vapor. Para tener un mejor funcionamiento a carga parcial se tiene una diferenciación entre el sobrecalentador primario y el secundario. La razón de ser de esta diferenciación es la voluntad de querer potenciar un modo diferente de transmisión de calor en cada uno. o Primario. Normalmente en esta parte se potencia la transmisión de calor por radiación. o Secundario. Normalmente en esta parte se potencia la transmisión de calor por convección . Cuando se produce un descenso en la carga sin cambiar el combustible, el dosado o la temperatura del aire de entrada, la temperatura y la superficie de la llama generada es la misma. Al depender la radiación directamente de la temperatura, la cantidad neta de calor transmitido por esta vía no variará prácticamente con la carga. Por otro lado, al descender la carga se tiene menos gasto de combustible y de aire, lo que implica que la cantidad de humos sea menor. Además al ser menos intensa la combustión se tendrán humos más fríos y con menor turbulencia. Lo cual implica que el calor transmitido por convección varía con la carga. El tener dos métodos diferenciados de transmisión de calor consigue que la temperatura del vapor de entrada a la turbina sea a carga parcial prácticamente la misma que a carga nominal. Esto es porque si el calor neto por radiación es el mismo, pero la cantidad de vapor circulante es menor, al tener carga parcial, este se calentará mucho más que lo haría a carga nominal. Por otro lado, al tener humos menos activos pero tener que calentar menos vapor, la transmisión de calor por convección hará que la temperatura del vapor sobrecalentado aumente muy poco. De este modo se compensan ambos efectos. Los tubos expuestos a radiación tienen un diámetro menor debido a que la temperatura de los tubos es crítica al recibir una tasa de calor tan grande; los tubos expuestos a convección deben tener una superficie mayor debido al menor valor del calor recibido por metro cuadrado. De no tenerse esta fragmentación y tener únicamente transmisión por radiación, a carga parcial se tendría un calor recibido por el tubo demasiado grande para el vapor trasegado por el mismo, lo cual podría conllevar a un quemado del tubo. De ser, por el contrario, únicamente por convección, la transmisión de calor pobre asociada a esta haría que la temperatura final fuese demasiado baja.

 Economizador y precalentador de aire: son elementos que permiten aumentar la eficiencia de la caldera en su conjunto al aprovechar el nivel térmico de los humos en el escape para precalentar agua y aire respectivamente. El economizador presenta pocos problemas de temperatura, dado que se encuentra en el final del recorrido de los gases de escape, y se puede implementar con tubos más baratos. Los únicos problemas que puede presentar son de condensación local y de ensuciamiento por cenizas. El precalentador de aire de tipo regenerativo presenta una gran eficiencia, se debe controlar la estanqueidad y la velocidad de rotación del mismo. Puede presentar 5

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Pau Carnero 4º GIE Si necesitas más apuntes puedes encontrarlos en Unybook.com buscando el usuario "pcarnero" problemas de condensación local y de corrosión ácida al tener temperaturas de los humos más bajas.  Ventilador de tiro forzado y de tiro inducido: el ventilador de tiro forzado debe vencer las pérdidas de carga en el economizador y en los quemadores. El de tiro natural-inducido debe hacer lo propio en los sobrecalentadores y recalentadores. Por otro lado, se busca que las posibles fugas sean hacia dentro de la caldera y no hacia fuera para limitar las emisiones descontroladas. Además el efecto de una entrada de aire del exterior es despreciable desde el punto de vista térmico. Para conseguir esto se desea una ligera depresión en el interior de la caldera, respecto a la atmoférica.

Regulación de la carga Cuando se llevan a cabo variaciones en la carga para seguir la demanda de vapor de la turbina, se debe mantener la presión y temperatura de vapor constantes para no perjudicar el rendimiento. En caso de verse reducida la demanda de energía eléctrica de la red, se tiene una reducción del par resistente del generador. Sin embargo la turbina sigue produciendo a carga nominal, esto hace que el régimen de giro se acelere, superando los 50Hz de frecuencia. Por lo tanto se tiene una primera actuación de control que hace que se disminuya la potencia producida en la turbina mediante una reducción del gasto de vapor de entrada a la misma. Sin embargo, en los vaporizadores se sigue produciendo a tasa nominal y, por lo tanto, sube la presión de vapor de la caldera, conjuntamente con la temperatura de cambio de fase del vapor. Debido a la inercia que presenta el sistema, el resto del circuito está a la temperatura correspondiente a la anterior presión de vapor, la cual es menor. Esto causa que temporalmente no hay evaporación. Este desajuste causa que haya un cambio en el equilibrio líquido-vapor del calderín, aumentando la cantidad de líquido. El calderín, por lo tanto, debe tener un tamaño que permita que no llegue vapor húmedo al sobrecalentador con las asociadas impurezas que podrían dañar los conductos y la turbina. Mediante un sensor se tiene la segunda actuación de control, sobre el bombeo de líquido para conseguir que el gasto másico de líquido de entrada a los vaporizadores sea el mismo que el vapor que circula por la turbina. De este modo se equiparan los gastos, pero la presión de vapor sigue con un valor más elevado que la nominal, lo que perjudica el rendimiento. Además una variación demasiado grande en la presión de trabajo puede ocasionar que la temperatura de los tubos aumente demasiado y se produzca un quemado del tubo. Por lo tanto, cuando se detecta un salto de presión importante se tiene una tercera actuación de control en la que se regula el combustible en la entrada para producir menos calor y reducir la tasa de vaporización . La acción sobre el combustible puede producir que varíe la opacidad de los humos, para restablecer la opacidad nominal se tendrá la cuarta actuación de control con la que se actuará sobre el aire secundario para recuperar rendimiento en la caldera. De no hacerse así y tener una tasa muy reducida de inquemados se estará calentando demasiado un aire que se va a tirar por la chimenea. En cuanto a los humos conviene ajustarse a la normativa.

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Bucle de control sobre la temperatura de entrada a la turbina En la central es necesario que existan otros bucles de control adicionales. Mediante el sobrecalentador se puede actuar sobre la temperatura a la entrada de la turbina, pero no es una forma de actuación activa sobre la misma. Para poder reducir la temperatura de vapor de entrada a la turbina si fuera demasiado elevada se tienen los atemperadores. Funcionan mediante una válvula en el circuito de agua de entrada al calderín, tras el economizador. Se aporta agua a la mitad del sobrecalentador para que se evapore con gran rapidez captando calor del vapor procedente del sobrecalentador primario. De este modo se reduce la temperatura de los tubos del sobrecalentador secundario y de la turbina. Además de esta forma no se pierde esa energía térmica en exceso, dado que se transfiere al vapor de entrada. En global el vapor que se turbina es mayor y al modificar la potencia de la turbina entra en acción el bucle de control general anterior. Esta acción de control tiene el problema de no separar minerales y podría haber depósitos en el sobrecalentador secundario, por lo tanto se puede optar por enviar agua proveniente del calderín. Además, para evitar el posible choque térmico que dañara los tubos al producirse la evaporación repentina del agua de entrada se suele instalar un Venturi mezclador. Este aparato mezcla rápidamente el flujo recién evaporado con el proveniente del sobrecalentador primario con poca pérdida de carga. Por otro lado, puede que en ocasiones sea interesante aumentar la temperatura de vapor. Aunque no conlleve problemas de rotura de ningún elemento, a diferencia de una temperatura de vapor demasiado elevada, pero llevan asociadas pérdidas de rendimiento. La solución por la que se opta es introducir más fuel a la par que se reduce la temperatura de llama. De este modo la transmisión de calor se puede mantener constante, pero se consigue que los humos lleguen más calientes y se pueda sobrecalentar más. Para reducir la temperatura de llama de difusión se recurre a una recirculación de los gases de escape, estos hacen reducir la proporción de oxígeno en la combustión y captan parte del calor reduciendo la temperatura de la llama.

Aspectos estructurales Los tubos de vapor se dilatan bastante, por lo tanto, resulta de interés permitir una dilatación libre para reducir esfuerzos mecánicos. Para llevar esto a cabo se tiene una caldera colgante en cuanto a calderín, vaporizadores y paredes externas.

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Bibliografía Las fuentes de las imágenes de los apuntes, por orden de aparición son: http://www.sogecal.com/caldera-pirotubular/ http://www.eisa.cl/archivos/imagenes/Caldera_Acuotubular.gif http://lenr.qumbu.com/steampics/110816_steam_0015.png http://web.ing.puc.cl/~power/mercados/carbon/carbon_archivos/image006.gif http://s931.photobucket.com/user/fach_fach/media/13.png.html?t=1290373405

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