Composición y funciones de los componentes básicos de la caldera.

Componentes principales (tambor de vapor, superficie de calentamiento, cabezal, tuberías) Horno: horno, quemador, precalentador de aire, conducto de gases de combustión Cuerpo de la caldera: economizador, tambor de vapor, bajante, cabezal, pared de agua, sobrecalentador, recalentador, etc.

I. Tambor de vapor

El tambor de vapor (también llamado tambor de caldera) es el componente de presión más crítico en una caldera de circulación natural. Sus funciones incluyen:

1. Actuar como centro de conexión para los procesos de calentamiento, evaporación y sobrecalentamiento, asegurando la circulación normal del agua en la caldera.

2. Con separación interna de vapor y agua y dispositivos de purga continua para garantizar la calidad del vapor.

3. Mantener un cierto volumen de agua con capacidad de almacenamiento de calor para mitigar la tasa de cambios de presión del vapor.

4. Equipar manómetros, indicadores de nivel de agua, purga de emergencia, válvulas de seguridad y otros dispositivos para garantizar la seguridad de la caldera.

El tambor de vapor funciona de la siguiente manera: la mezcla de vapor y agua de la pared de agua ingresa a la parte superior del tambor de vapor a través de tuberías, fluye hacia abajo a lo largo del estrecho canal anular formado por la pared interior del tambor y el deflector en forma de arco, uniformemente. transferir calor a la pared interior del tambor a un caudal apropiado. Esto supera la dificultad de las grandes diferencias de temperatura entre las paredes superior e inferior del tambor durante el arranque de la caldera, lo que permite un arranque más rápido. La mezcla de vapor y agua que ingresa al tambor se dirige a los separadores ciclónicos de vapor y agua, donde la inercia durante los cambios de dirección del flujo provoca una separación inercial, la primera separación de la mezcla de vapor y agua. El vapor separado todavía contiene una cantidad significativa de agua y ingresa al separador de placas corrugadas desde la parte superior del separador ciclónico. Este separador, montado encima del separador ciclónico, permite que el vapor con gotas de agua fluya a través de los espacios entre las placas corrugadas. Al hacer que el agua se adhiera a la superficie del metal y forme una película que fluye hacia abajo, las gotas de agua se separan nuevamente, lo que se conoce como segunda separación. El vapor después de la segunda separación se somete a limpieza con vapor y separación por gravedad utilizando la diferencia de densidad del agua, constituyendo la tercera separación. Después de tres separaciones, el vapor cumple con los estándares de calidad y luego se dirige al sobrecalentador tipo rejilla a través del tubo de vapor saturado en la parte superior del tambor de vapor.

II. Superficie de calentamiento

La caldera y el horno están interconectados mediante el proceso de transferencia de calor. El límite entre la caldera y el horno es la superficie de calentamiento, que conduce el calor desde el medio que libera calor (llama, gas de humo) al medio que lo recibe (agua, vapor o aire). La superficie calefactora absorbe calor del medio liberador de calor y libera calor al medio receptor de calor.

La superficie de calentamiento, que absorbe y libera calor continuamente, se denomina superficie de calentamiento entre paredes, donde el medio que libera calor y el medio que recibe calor están en lados opuestos de la superficie de calentamiento. Si el medio liberador de calor y el medio receptor de calor entran en contacto de forma alterna y periódica con la superficie calefactora, liberando o absorbiendo calor de la superficie calefactora durante el contacto, se denomina superficie calefactora regenerativa. La superficie de calentamiento que absorbe principalmente calor del medio que libera calor a través de la transferencia de calor por radiación se denomina superficie de calentamiento por radiación, generalmente dispuesta en el horno. La superficie de calentamiento que absorbe principalmente calor del medio que libera calor a través de la transferencia de calor por convección se denomina superficie de calentamiento convectiva, normalmente dispuesta en el conducto de humos después de la salida del horno, en el conducto de humos de temperatura más baja. Un conducto de humos con superficies calefactoras convectivas se denomina conducto convectivo. La liberación de calor desde la superficie de calentamiento al medio receptor de calor se produce principalmente mediante transferencia de calor por convección. Según la secuencia de los procesos de calentamiento y vaporización del agua, la superficie de calentamiento se puede dividir en superficie de calentamiento de precalentamiento de agua, superficie de calentamiento de vaporización (también llamada superficie de calentamiento de evaporación) y sobrecalentador. La superficie de precalentamiento de agua generalmente está dispuesta en la sección de gases de humo de baja temperatura para recuperar el calor residual de los gases de escape y ahorrar combustible, lo que comúnmente se conoce como economizador.

Además, el calor de escape se puede recuperar para precalentar el aire de combustión. Este tipo de superficie calefactora con recuperación de calor se denomina precalentador de aire. Los economizadores y los precalentadores de aire están ubicados al final del recorrido de los gases de combustión de la caldera, conocidos colectivamente como superficie de calefacción trasera.

La superficie de calentamiento se puede clasificar además en tipo placa y tipo tubo según su estructura. La superficie de calentamiento a través de la cual fluye el humo dentro de los tubos se llama superficie de calentamiento de tubos de humo, mientras que la superficie de calentamiento a través de la cual fluye el agua dentro de los tubos se llama superficie de calentamiento de tubos de agua. El recipiente a presión cilíndrico que contiene agua y vapor y que también sirve como carcasa de caldera se denomina "tambor de vapor" o "carcasa de caldera". La caldera con la superficie de calentamiento dispuesta principalmente dentro de la carcasa de la caldera se denomina caldera de carcasa (antes conocida como caldera pirotubular).

Para las calderas de carcasa de combustión interna, el horno está ubicado dentro de la carcasa, conocido como "núcleo del horno". El propio núcleo del horno es la superficie de calentamiento por radiación. Los tubos de humo dispuestos en el interior de la carcasa constituyen la superficie de calentamiento por convección.

Para las calderas de combustión externa, el horno está ubicado fuera de la carcasa. En este caso, parte de la superficie del proyectil (que mira hacia el fuego) sirve como superficie de calentamiento por radiación. Los tubos de humo todavía están dispuestos dentro del caparazón. Si dentro del horno externo también están dispuestas superficies calefactoras acuotubulares como superficies calefactoras por radiación, se trata de una caldera pirotubular de agua. La carcasa de una caldera de combustión externa ya no cumple la función completa de la carcasa de la caldera, porque el horno externo utiliza la pared del horno como carcasa. Las calderas acuotubulares que sirven principalmente como superficie de calentamiento y están dispuestas en el espacio de la pared del horno se denominan calderas acuotubulares. La superficie de calentamiento, junto con el tambor, el colector y los tubos externos, forman todo el sistema agua-vapor.

III. Cabecera de caldera

El cabezal es un componente clave que recoge y conecta los tubos del horno dispuestos. Tiene las funciones de distribuir el suministro y descarga de agua, y se puede clasificar en cabezal superior y cabezal inferior o cabezal de entrada y cabezal de salida según su posición.

El cabezal superior está ubicado en la parte superior de los tubos del horno, recoge la mezcla de agua y vapor de los haces de tubos ascendentes y la introduce en el tambor de vapor a través de tuberías. Algunos cabezales superiores se instalan fuera de la pared del horno, con filas de orificios de acceso en el lado opuesto de los tubos del horno para limpiar el interior de los tubos.

El cabezal inferior está ubicado en la parte inferior de los tubos del horno, conectado al tambor inferior para el suministro de agua, distribuyéndola a los tubos ascendentes del horno. Los cabezales inferiores a ambos lados de la parrilla del horno ayudan a prevenir daños o coquización de la pared del horno en ambos lados y se conocen como cajas anticoquización.

El cabezal inferior tiene un tubo de purga y su extremo también tiene orificios para inspeccionar y limpiar el interior del cabezal.

Además del cabezal del cuerpo principal de la caldera, otros componentes como el economizador y el sobrecalentador también tienen sus respectivos cabezales. Los cabezales generalmente están hechos de tubos de acero sin costura de gran diámetro soldados con dos tapas en los extremos. En los últimos años, algunos fabricantes han utilizado extremos estampados en lugar de tapas soldadas, proporcionando una estructura más racional.

IV. Economizador de caldera

Definición: Una superficie de calentamiento que utiliza gases de combustión a baja temperatura para calentar el agua de alimentación.

El economizador , ubicado en el conducto de humos trasero de la caldera, calienta el agua de alimentación de la caldera hasta convertirla en agua saturada bajo la presión del tambor de vapor. Dado que absorbe calor de los gases de combustión a temperaturas relativamente bajas, reduciendo la temperatura de escape de los gases de combustión, ahorra energía, mejora la eficiencia y, por lo tanto, se denomina economizador.

Los economizadores de tubos de acero no están sujetos a limitaciones de presión y se pueden utilizar en economizadores de tipo ebullición, generalmente fabricados con tubos de acero al carbono con un diámetro exterior de 32 a 51 milímetros. A veces, se agregan aletas y nervaduras a la superficie exterior para mejorar la eficiencia de la transferencia de calor. Los economizadores de tubos de acero consisten en tubos curvos paralelos dispuestos horizontalmente (comúnmente conocidos como tubos serpentinos). Los economizadores se pueden clasificar de varias formas:

1. Según el grado de calentamiento del agua de alimentación: tipo sin ebullición y tipo con ebullición.

2. Según el material de fabricación: Economizadores de tubería de hierro fundido y acero. Los economizadores del tipo sin ebullición están hechos principalmente de hierro fundido, pero también pueden estar hechos de tubos de acero, mientras que los economizadores del tipo con ebullición deben estar hechos de tubos de acero. Los economizadores de hierro fundido se utilizan principalmente en calderas con una presión ≤2,5 MPa. Cuando la presión supera los 2,5 MPa, se deben utilizar economizadores de tubería de acero.

3. Según la forma del dispositivo: Vertical y horizontal.

4. Basado en la dirección relativa del flujo de los gases de combustión y el agua de alimentación: flujo concurrente, contracorriente y mixto.

Funciones del Economizador:

1. Absorber el calor de los gases de combustión a baja temperatura, reducir la temperatura de los gases de combustión, minimizar las pérdidas de gases de combustión y ahorrar combustible.

2. Dado que el agua de alimentación se precalienta en el economizador antes de ingresar al tambor de vapor, se reduce la absorción de calor en la superficie de calentamiento, lo que permite que el economizador reemplace algunas superficies de calentamiento por evaporación más costosas.

3. Con el aumento de la temperatura del agua de alimentación, la diferencia de temperatura de la pared al entrar al tambor de vapor se reduce, lo que lleva a una disminución del estrés térmico y una extensión de la vida útil de los tambores de vapor.

Recirculación del economizador: Durante el proceso de arranque de la caldera (caldera de tambor de vapor), como no se ha establecido la circulación de la tubería de vapor-agua, es decir, el agua de alimentación de la caldera está estancada, el agua del economizador permanece en un estado sin flujo. Con el fortalecimiento de la combustión de la caldera y el aumento de la temperatura de los gases de combustión, el agua en el economizador es propensa a vaporizarse, provocando un estado de sobrecalentamiento local en el economizador. Para evitar esta situación, se conecta una tubería desde la bajante de concentrado del tambor de vapor hasta la entrada del economizador durante el arranque, sirviendo como tubería de recirculación. Esto mantiene el agua en el economizador fluyendo y evita la vaporización.

V. Recalentador de caldera (RH)

Definición: El recalentador es una superficie receptora de calor que recalienta el vapor de escape de los cilindros de alta o media presión de una turbina de vapor a la temperatura especificada en la caldera.

El recalentador es esencialmente un tipo de sobrecalentador de vapor que recalienta vapor a baja presión que ya ha realizado un trabajo, alcanzando una determinada temperatura. La función del recalentador mejora aún más la eficiencia térmica del ciclo de la central eléctrica y mantiene la temperatura del vapor de las palas de la etapa final de la turbina de vapor dentro del rango permitido.

Beneficios del recalentador de caldera:

1. Reduce la humedad del vapor, lo que resulta ventajoso para proteger los álabes de la turbina.

2. Puede mejorar la eficiencia interna relativa y absoluta de la turbina.

Función de recalentador de caldera: para mejorar la eficiencia térmica de los grandes generadores de energía, se adopta ampliamente un ciclo de recalentamiento intermedio. El vapor principal que sale del sobrecalentador de la caldera, después de realizar trabajo en el cilindro de alta presión de la turbina de vapor, se envía al recalentador para ser recalentado y aumentar su temperatura. Luego se envía al cilindro de presión intermedia de la turbina de vapor para continuar expandiéndose y realizando trabajo. Esto se conoce como ciclo de recalentamiento intermedio único, que puede aumentar relativamente la eficiencia del ciclo entre un 4% y un 5%. En algunas unidades grandes, el vapor de escape se envía de regreso a la caldera para calentarlo después del cilindro de presión intermedia, conocido como ciclo de recalentamiento intermedio doble, que puede aumentar relativamente aún más la eficiencia del ciclo en aproximadamente un 2%. Algunas unidades experimentales incluso utilizan un ciclo triple de recalentamiento intermedio. La adopción de un ciclo de recalentamiento intermedio complica el sistema térmico, la estructura y la regulación operativa de la unidad caldera-turbina de vapor, lo que genera mayores costos. Por lo tanto, normalmente sólo se utiliza en generadores de energía con una capacidad de 100 megavatios o más y, por lo general, sólo se emplea un único ciclo de recalentamiento intermedio.

Estructura y tipos: El recalentador consta de tubos y cabezales. El vapor y los gases de combustión fluyen dentro y fuera de los tubos. Según el método de transferencia de calor, los recalentadores se pueden dividir en tipos convectivos y radiantes. Los recalentadores convectivos están dispuestos en el conducto de humos convectivo, mientras que los recalentadores radiantes están dispuestos en el horno (similar a los sobrecalentadores).

Características operativas: La resistencia al flujo de vapor en el sistema de recalentamiento afecta significativamente la eficiencia térmica del ciclo de la unidad. Por cada aumento de 0,1 MPa en la resistencia, la eficiencia térmica del ciclo disminuye entre un 0,2 y un 0,3%. Por lo tanto, se utilizan comúnmente diámetros de tubo más grandes (42-60 mm) y velocidades de masa de vapor más bajas (250-400 kg/(m²·s) o menos) para controlar la resistencia del cuerpo del recalentador para que no exceda el 5-7% de su presión de vapor de entrada. La presión del vapor recalentado es menor que la del vapor principal, lo que resulta en una mala transferencia de calor por convección desde el vapor dentro de los tubos a la pared del tubo. Como resultado, la temperatura del metal de la pared del tubo es mayor, lo que requiere el uso de acero resistente a altas temperaturas e incluso acero austenítico al cromo-níquel. La temperatura del vapor recalentado se puede regular (ver regulación de la temperatura del vapor de la caldera).

Medidas de Protección: Durante el arranque y apagado de la caldera por accidentes, no hay flujo de vapor a través del recalentador, o el flujo de vapor es mínimo. Para evitar daños por sobrecalentamiento en el recalentador, además de utilizar materiales de aleación de acero de alta temperatura, se deben tomar medidas de protección. Las medidas comunes incluyen controlar la velocidad de arranque de la caldera, colocar el recalentador en un área de baja temperatura de los gases de combustión e introducir enfriamiento del vapor principal durante el arranque y los accidentes (consulte el sistema de derivación de la turbina).

VI. Intercambiador de calor de tubo de calor

(I) Descripción general de los tubos de calor

Un tubo de calor es un componente de transferencia de calor con alta conductividad térmica. Transfiere calor evaporando y condensando el fluido de trabajo en una carcasa de tubo de vacío completamente cerrada. Tiene las ventajas de una conductividad térmica extremadamente alta, buenas características isotérmicas, la capacidad de cambiar arbitrariamente el área de transferencia de calor en ambos lados de los lados frío y caliente, transferencia de calor a larga distancia y control de temperatura. La desventaja es la escasa resistencia a la oxidación y el rendimiento a altas temperaturas, lo que se puede solucionar instalando un intercambiador de calor cerámico en la parte frontal.

Los intercambiadores de calor de tubos de calor compuestos de tubos de calor tienen las ventajas de una alta eficiencia de transferencia de calor, una estructura compacta, una baja resistencia a los fluidos y son propicios para controlar la corrosión del punto de rocío. Se han utilizado ampliamente en metalurgia, industria química, refinación, calderas, cerámica, transporte, textiles ligeros, maquinaria y otras industrias como equipos de ahorro de energía para la recuperación de calor residual y la utilización de energía térmica en el proceso. Han logrado importantes beneficios económicos.

(II) Clasificación de intercambiadores de calor de tubos de calor

Según el estado del fluido de transferencia de calor y del fluido de refrigeración, los intercambiadores de calor de tubos de calor se pueden dividir en: tipo gas-gas, tipo gas-líquido, tipo líquido-líquido, tipo líquido-gas y tipo líquido-vapor. Según las características estructurales, los intercambiadores de calor de tubos de calor se pueden dividir en tipo integral, tipo dividido y tipo combinado.

(III) Características principales de los intercambiadores de calor de tubos de calor

1. Los intercambiadores de calor de tubo de calor pueden separar completamente los fluidos fríos y calientes utilizando la placa divisoria del intercambiador de calor. En el proceso de operación, el daño a un solo tubo de calor debido al desgaste, corrosión, sobrecalentamiento, etc., no afecta significativamente el funcionamiento del intercambiador de calor. Los intercambiadores de calor de tubos de calor son altamente confiables en aplicaciones de intercambio de calor de fluidos que involucran fluidos inflamables, explosivos y corrosivos.

2. Los fluidos fríos y calientes del intercambiador de calor de tubo de calor fluyen completamente por separado, lo que hace que sea relativamente fácil lograr un intercambio de calor a contracorriente entre los fluidos fríos y calientes durante la operación. Tanto los fluidos fríos como los calientes fluyen fuera de las tuberías y, debido a que el coeficiente de transferencia de calor del flujo exterior es mucho mayor que el del flujo interior, es muy económico para aplicaciones que implican una recuperación de calor de menor grado.

3. Para fluidos con un alto contenido de polvo, los intercambiadores de calor de tubos de calor pueden resolver los problemas de desgaste y bloqueo de cenizas del intercambiador de calor mediante cambios estructurales y la expansión de la superficie calentada.

4. Cuando el intercambiador de calor de tubo de calor se utiliza para recuperar el calor residual de los gases de combustión con componentes corrosivos, la temperatura de la pared del tubo de calor se puede ajustar ajustando el área de transferencia de calor de las secciones de evaporación y condensación, evitando el área máxima de corrosión. cuanto más se pueda.

VII. Sobrecalentador de caldera (SH)

Definición: Un sobrecalentador es una superficie receptora de calor que calienta vapor saturado o vapor por encima de la temperatura de saturación hasta la temperatura de sobrecalentamiento especificada.

Un sobrecalentador es un componente de una caldera que calienta aún más el vapor desde una temperatura saturada hasta una temperatura sobrecalentada bajo la presión correspondiente.

(I. Introducción:

El componente de la caldera que calienta aún más el vapor desde una temperatura saturada hasta una temperatura sobrecalentada se conoce como sobrecalentador. La mayoría de las calderas industriales no tienen sobrecalentadores porque muchos procesos e instalaciones de producción industrial solo requieren vapor saturado. En centrales eléctricas, locomotoras y calderas marinas, generalmente se instalan sobrecalentadores para mejorar la eficiencia térmica general del sistema de energía de vapor. El uso de vapor sobrecalentado puede reducir el contenido de humedad en el escape de la turbina. La temperatura del vapor sobrecalentado depende de factores como la presión de la caldera, la capacidad de evaporación, el rendimiento del acero a alta temperatura y la proporción de combustible a acero. En el caso de las calderas de centrales eléctricas, la temperatura suele rondar los 450 °C para una caldera de 4 MPa y entre 540 y 570 °C para calderas de más de 10 MPa. Algunas calderas de centrales eléctricas también utilizan temperaturas de vapor sobrecalentado más altas (hasta 650°C).

(II) Tipos y Características:

Los sobrecalentadores se pueden clasificar en tipos convectivos, radiantes y semirradiantes según el método de transferencia de calor. Según sus características estructurales, se pueden clasificar en tipo tubo serpentino, tipo pantalla, tipo pared y tipo revestido de pared. Consisten en varios tubos paralelos y cabezales de entrada/salida. El diámetro exterior de los tubos es generalmente de 30 a 60 mm. Los sobrecalentadores convectivos son los más utilizados y emplean tubos serpentinos. Tienen una disposición de tubos relativamente denso, colocados en el recorrido de los gases de combustión con una temperatura entre 450 y 1000 °C, sujetos a un lavado transversal y longitudinal por parte de los gases de combustión. El calor se transfiere a los tubos principalmente por convección y una parte también por calor radiante. Los sobrecalentadores tipo rejilla constan de múltiples rejillas de tubos, dispuestas en la parte superior o salida del horno, pertenecientes a sobrecalentadores radiantes o semirradiantes. El primero absorbe el calor radiante de la llama del horno, mientras que el segundo también absorbe algo de calor convectivo. En calderas de centrales eléctricas con una presión superior a 10 MPa, se utiliza comúnmente una combinación de sobrecalentadores de tipo rejilla y de tubo serpentino para aumentar la absorción de calor. Los sobrecalentadores de pared instalados en la pared del horno son sobrecalentadores radiantes, pero se utilizan con menos frecuencia. Los sobrecalentadores revestidos de pared se utilizan en calderas de centrales eléctricas de gran capacidad para formar el techo del horno y las superficies de las paredes del conducto convectivo, recubiertos externamente con material aislante para formar una pared liviana del horno. El diagrama muestra la disposición de varios sobrecalentadores. Las calderas industriales pequeñas con sobrecalentadores generalmente solo utilizan sobrecalentadores convectivos de grupo de tubos de una sola etapa para cumplir con los requisitos.

(III) Rendimiento:

Los cambios en las condiciones operativas de la caldera, como fluctuaciones de carga, variaciones en el combustible y cambios en las condiciones de combustión, afectan la temperatura del vapor de salida del sobrecalentador. Por lo tanto, en las calderas de las centrales eléctricas se toman medidas para ajustar la temperatura del vapor de salida de la caldera para estabilizarla en el valor especificado.

Los métodos comunes incluyen:

1. Ajuste directo de la temperatura del vapor mediante atemperadores de tipo rociador o de superficie.

2. Cambiar la temperatura de los gases de combustión a la salida del horno mediante el uso de un quemador oscilante.

Quemador de caldera pirotubular