Economizador y Precalentador de Aire

Carlos Eduardo Nausa Cárdenas 1121160 Luis Edwin Chaustre Silva 1120336

Los combustibles entran en combustión y entregan su calor al cuerpo de agua, el cual se convierte en vapor. Los gases de combustión tienen entonces todo el calor contenido en el combustible por lo que debemos aprovecharlos de la mejor forma. Si la temperatura de los gases en la chimenea es demasiado alta, estamos dejando escapar una cantidad muy importante de calor o energía.

Justamente para aprovechar esta energía al máximo posible y lograr que los gases de combustión salgan lo mas fríos posibles, se intercalan a la salida de la caldera y antes de la chimenea unos equipos que pueden recuperar parte de esta energía. Ellos son los Economizadores y los Precalentadores de aire.

Los combustibles entran en combustión y entregan su calor al cuerpo de agua, el cual se convierte en vapor. Los gases de combustión tienen entonces todo el calor contenido en el combustible por lo que debemos aprovecharlos de la mejor forma. Si la temperatura de los gases en la chimenea es demasiado alta, estamos dejando escapar una cantidad muy importante de calor o energía.

Justamente para aprovechar esta energía al máximo posible y lograr que los gases de combustión salgan lo mas fríos posibles, se intercalan a la salida de la caldera y antes de la chimenea unos equipos que pueden recuperar parte de esta energía. Ellos son los Economizadores y los Precalentadores de aire.

Los economizadores economizadores son básicamente intercambiadores de calor que permiten precalentar el agua de alimentación antes de entrar a la caldera. Para esto utiliza los gases de combustión que salen de caldera.

Los precalentadores precalentadores de aire Al igual que los anteriores utilizan los gases de combustión pero ahora en vez de calentar agua precalientan el aire que luego se utiliza en la combustión.

Los modernos economizadores se construyen con tubos de acero a diferencia de los primeros que utilizaban tubos de fundición, ya que son indispensables para resistir las altas presiones .

Se construyen espacio.

en forma de serpentín continuo para

aprovechar

Los tubos son generalmente de 2 .5 a 3 pulgadas de diámetro. Por cada 40ºF (22ºC) de disminución de la temperatura de los humos en un economizador o en un calentador de aire, el rendimiento de la caldera aumenta un 1%.

Se clasifican según: SU GEOMETRIA

De tubos horizontales De tubos verticales

SU DIRECCIÓN DEL GAS : De flujo longitudinal De flujo cruzado SU DIRECCIÓN RELATIVA DEL FLUJO DE GAS Y DE AGUA: De flujos en paralelo De contracorriente SU TIPO DE SUPERFICIE ABSORBENTE DEL CALOR: De tubos desnudos o lisos De tubos con superficies extendidas

TUBO VERTICAL

El agua es alimentada por el colector inferior y fluye a través de los tubos hasta el colector superior. Los gases fluyen de dos maneras a lo largo de los tubos, preferentemente entrando por la parte superior y bajando en forma recta a contracorriente del flujo de agua, o atravesando los tubos en un paso o múltiples pasajes

TUBOS HORIZONTALES

Constan de colector inferior, por donde ingresa el agua, una tubería continua dispuesta en forma de serpentina horizontal que constituye la superficie de calefacción y un colector donde se acumula el agua para su salida Es siempre preferible que la corriente de gases atraviesen los tubos del economizador desde arribahacia abajo y que el agua de alimentación ingrese por la parte inferior y fluya hacia arriba a través de los tubos .

TUBOS LISOS

el diseño más común y fiable es el que incorpora tubos desnudos(superficie exterior lisa), en alineación regular y al tresbolillo, con flujos cruzados. Los tubos desnudos y alineación regular

minimizan las posibilidades de erosión y obturación provocadas por la ceniza en polvo la disposición al tresbolillo

Cuando se quema carbón, la ceniza en polvo de los humos crea siempre un ambiente sucio y erosivo, por lo que el banco de tubos que constituye el economizador debe ofrecer la máxima facilidad para su limpieza con sopladores

SUPERFICIES EXTENDIDAS

Las aletas son baratas, de precio inferior al de la superficie tubular propiamente dicha, que permiten reducir el tamaño y el coste del economizador. El éxito de su aplicación depende del ambiente que se tenga en el lado de humos. los economizadores con aletas no son recomendables, debido a las características de alta concentración y erosividad de la ceniza en polvo presente en los humos. SE PRESENTAN DE TAL FORMA Protuberancias Aletas longitudinales Aletas helicoidales Aletas anulares de perfil rectangular Deflectores

PROTUBERANCIAS

Cuando las aletas son sólidos de revolución o paralelepípedos se denominan protuberancias se comportan bastante bien en calderas que queman gases; los economizadores con protuberancias de clavos tienen mayores caídas depresión en el lado de humos Los clavos suelen tener una longitud igual al radio del tubo en el que se insertan como protuberancias, y se sueldan perpendicularmente a la superficie tubular. En las calderas que queman carbón, las protuberancias de clavos se comportan mal a causa de lascenizas, debido a: - La alta erosión por la naturaleza del polvo arrastrado - Las pérdidas en la termotransferencia, por la suciedad debida al polvo depositado - Obturaciones por las características fisicoquímicas de la ceniza

ALETAS LONGITUDINALES

Estos economizadores no se comportan bien a lo largo de períodos de operación de la unidad prolongados En calderas que queman carbón, se sustituyen a consecuencia de las excesivas obturaciones y erosiones que se presentan tras un corto tiempo de operación En calderas que queman aceites y gases, con frecuencia se presentan fallos debidos a la aparición de grietas en el extremo libre de las aletas, que son los puntos más calientes de las mismas, que se propagan hacia lapared del tubo, llegándose al fallo de la pared tubular que aloja la aleta

ALETAS HELICOIDALES

La aleta helicoidal consiste en una hélice de paso reducido, y se utiliza en unidades que queman gases, debido a la ausencia de ceniza volante, (propia de la combustión del carbón y de algunos aceites). Las características de estas aletas son: 4 pasos por pulgada espesor de (1,5 a 1,9 mm) altura (19,1 mm) aplicándolas a tubos de 2 ”  de diámetro exterior, se obtiene una superficie termo intercambiadora 10 veces mayor que la del tubo desnudo. Para garantizar la limpieza de las superficies se emplean sopladores y una altura del banco tubular del orden de 4 ”  +/- 5” La disposición de los tubos en alineación regular facilita la limpieza y ofrece menos pérdidas de presión del lado de humos

ALETAS ANULARES DE PERFIL RECTANGULAR

Cada aleta se compone de dos mitades idénticas que se sueldan por la parte exterior del tubo, este tipo de aleta se monta en alineación regular en bancos de tubos dispuestos horizontalmente, siendo el flujo cruzado de humos vertical descendente. Este tipo de aletas en economizadores se utiliza en unidades viejas que se han actualizado mediante la modernización de algunos de sus componentes; el espaciado de aletas varía entre 0,5 ” +/- 1”,  y espesor 0,125”

DEFLECTORES Para evitar que los humos rodeen los tramos rectos aleteados, que ofrecen una sección de paso más restringida, se disponen tabiques deflectores que evitan la circulación de humos a través de los codos también se utilizan en economizadores de tubos desnudos. La circulación de los humos a través de los codos (no aleteadas),provoca: - Una reducción de la transferencia de calor en el banco que tiene la superficie ampliada - Una elevación de la temperatura del cerramiento que limita el volumen en el que está ubicada la superficie termo intercambiadora del economizador - Una mayor erosión en los codos, cuando se queman carbones altos en cenizas

El código ASME requiere que la temperatura de diseño de las partes a presión que se encuentran dentro de la unidad generadora de vapor, sea igual o superior a 700ºF (371ºC) la temperatura media de la pared tubular en el economizador, rara vez llega a esa valor, estando entre 10+/- 20ºF = (6+/- 12ºC) por debajo de la del fluido, que no suele pasar de 650ºF (343ºC) a lo largo del circuito del economizador. En las calderas que queman carbón, el espaciado transversal entre tubos se elige de acuerdo con la velocidad y resistencia máximas admitidas en el lado de humos, que son parámetros que dependen del tamaño de los tubos. Si se usan superficies ampliadas, los espaciados laterales y verticales deben permitir una separación entre aletas de 0,5 ”(13 mm). Para tubos lisos conviene un espaciado con holgura mínima de 0,75 ”(19 mm). El espaciado mínimo vertical de los tubos debe ser 1,25 veces el diámetro exterior de los tubos.

Los pre calentadores de aire al igual que los economizadores extraen calor de los gases de combustión con temperaturas relativamente bajas. El calor que se recupera de los gases de la combustión se recicla al hogar junto con el aire de combustión y cuando se agrega a la energía térmica liberada por el combustible, se convierte en energía disponible para la absorción en la unidad generadora de vapor, con una ganancia en la eficiencia térmica global. El uso de aire precalentado para la combustión acelera la ignición y fomenta una combustión rápida y completa del combustible. Los pre-calentadores de aire se clasifican en general como: Recuperativos Generativos. En ambos se úsala transferencia por convección del calor, de la corriente del gas a un metal o una superficie sólida y la transferencia por convección de esta superficie al aire

CLASIFICACIÓN DE

LOS PRECALENTADORES

Según su principio operativo en el proceso de transferencia de calor, se clasifican en dos grandes grupos: Recuperativos y Regenerativos. Calentadores de aire recuperativos •

Calentadores tubulares de acero:

La energía térmica se transfiere desde los humos calientes que circulan por el interior de los tubos, al aire que circula por su exterior.

•

Calentadores tubulares de fundición.

Los tubos son de sección rectangular, tienen una costura soldada longitudinalmente, y se fabrican a partir de chapas de hierro fundido; se disponen con un solo paso del lado de humos, y con varios pasos en el lado del aire, circulando éste por el interior de los tubos del calentador. La transferencia de calor se maximiza con aletas, en el lado de aire, y en el lado de humos. •

Calentadores de chapas.

Constan de baterías de chapas en paralelo y transfieren el calor, en flujos cruzados, desde los humos calientes que fluyen por un lado de la chapa, al aire frío que fluye por el otro lado.

Calentadores con serpentines de vapor-agua. Los calentadores con serpentines de vapor-agua constan de un •

banco de tubos de pequeño diámetro, exteriormente aleteados, dispuestos horizontal o verticalmente dentro del conducto de aire que va desde el ventilador de tiro forzado que impulsa el airecomburente, hasta el calentador principal del aire. •

Calentadores con tubos isotermos.

El tubo isotermo de tipo termosifón, utilizado en los calentadores de aire para la generación de vapor, consiste en un tubo, en el que se ha hecho un vacío parcial, rellenado con un fluido de trabajo apropiado para la realización de la transferencia térmica

Calentadores de aire regenerativos. •

Calentador Ljungström.

Tiene una carcasa cilíndrica y un rotor que lleva acoplados paquetes de elementos ensamblados de superficies de caldeo, que gira atravesando los flujos de aire y humos, dispuestos en contracorriente el rotor está alojado en una carcasa que tiene conectados a ambos extremos de sus bases cilíndricas, los conductos de aire y de humos.

•

Calentador de aire Rothemühle.

Utiliza unos elementos de superficies acumuladoras de calor estacionarias, y unos conductos giratorios divergentes, los elementos de superficie se alojan y soportan en una carcasa cilíndrica fija (estator); en las bases de ésta gira sincrónicamente una estructura doble de sectores simétricos, que tienen un eje vertical común.

diferencias entre el calentador Rothemühle y el Ljungström. •

•

•

El Rothemühle tiene una masa giratoria pequeña, del orden del 20% de la total, lo que contribuye a una alta fiabilidad. El estator permite una distribución uniforme de la carga del calentador sobre un determinado número de puntos de la periferia, facilitando la transferencia de las cargas de los conductos hacia el acero estructural que soporta la unidad.

Superficies calefactoras.

Cada par de elementos es combinación de una chapa plana y otra ondulada. El objetivo de los perfiles ondulados es mantener las chapas despegadas, con el fin de ofrecer espacios para: - Facilitar unos canales de flujo a cada uno de los fluidos operativos - Maximizar la transferencia de calor incrementando la superficie calefactora - Lograr el mayor intercambio térmico creando turbulencias en los flujos

La velocidad de transferencia de calor, para bancos de tubos desnudos dispuestos en línea, se limita del lado de humos; el coeficiente global U de transferencia de calor desde los humos hacia el agua, se estima mediante la relación: U = 0,98 ( hconv+ hrad ) kf siendo: kf el factor de efectividad de la superficie; para gases = 1 ; para aceites = 0,8 ; para carbones = 0,7 Coeficiente de convección humos: hconv ℎ  =

0.287 .61

.33  .6

.39

 .

 = ℎ∗

Donde hrad, el coeficiente de radiación entre tubos; si se quema carbón hrad = 1,0  =

4( − 0.785 

Los valores de hc* , Fpp , Fa , Ψ, se obtienen de las siguientes graficas

VENTAJAS DE LOS ECONOMIZADORES Y PRECALENTADORES DE AIRE: •

La ganancia térmica con su resultante elevación de la curva de rendimiento y ahorro en combustible.

•

El aplanamiento de la curva de rendimiento en la región de altas capacidades o la posibilidad de las calderas y hogares

de trabajar

a

mayores

capacidades

manteniendo un alto rendimiento. •

•

Proveen una reserva de suministro de agua caliente para hacer frente a fluctuaciones de demanda o fuertes demandas repentinas.

•

Protegen a la caldera de recibir agua fría.

DESVENTAJAS DE LOS ECONOMIZADORES Y PRECALENTADORES DE AIRE:

•

•

•

Impiden el flujo de productos de combustión y disminuyen su temperatura de la cual depende el tiro natural. Esto obliga a la instalación de tiro mecánico con su consecuente costo inicial extra, espacio necesario, costo de potencia absorbida, atención y mantenimiento. Corrosión que puede ocurrir si los gases se enfrían debajo del punto de roció de los vapores de acido sulfúrico con contenido en los mismos. Costo extra del equipo, mantenimiento y reemplazo.