El Sobrecalentador De Vapor Es Básicamente Un Intercambiador De Calor Gases 2z4315

SOBRECALENTADOR El sobrecalentador de vapor es básicamente un intercambiador de calor gases-vapor, diseñado teniendo en cuenta las particularidades de su trabajo con gases de combustión. El objetivo es conseguir un vapor a alta temperatura que no sufra problemas de condensación en su camino desde la caldera hasta el proceso, el sobre calentamiento de vapor tiene lugar a una presión constante a la misma que la de la caldera. Consta de dos circuitos: Circuito de vapor Consiste en un haz de tubos unidos por codos de acero soldados a los tubos. Se completa el circuito con dos colectores laterales, uno para la entrada y reparto del agua y el otro para la salida de la misma. Circuito de gases Dispuesto en contracorriente del circuito de vapor está formado por una carcasa en chapa de acero y perfiles laminados.

Se la llama sobrecalentamiento a la producción de vapor a temperaturas mayores a las de saturación y la temperatura agregada se llama grado de sobrecalentemiento. El vapor sobrecalentado no tiene arrastre de humedad; en consecuencia es menos abrasivo y corrosivo que el vapor saturado húmedo, que contiene gotitas y neblinas de agua. Para el impulso de una turbina la condición de sequedad es imperativa, para máquinas de vapor embolo, es deseable. Principio de funcionamiento. En una unidad sobrecalentadora el vapor se dirige hacia atrás a través de los productos de combustión para tomar calor adicional. Este calor adicional produce una ganancia considerable de energía en el vapor que será liberado en el uso final. Este uso final puede ser una turbina de vapor o cualquier otro tipo de equipo que requiere liberación considerable de energía para su operación. Los sobrecalentadores son del tipo radiante o de convección. En un sobrecalentador radiante los tubos están localizados casi siempre detrás de la pared de pantalla de la sección de convección, ellos reciben su calor por medio de la radiación directa de la llama, en tanto que los de convección reciben su calor principalmente por el paso de los productos de combustión alrededor de los tubos. Ventajas de un SOBRECALENTADOR. 1.- Aumenta el rendimiento termodinámico del ciclo de la planta. 2.- Disminuye las perdidas por condensación de la turbinas y las maquinas mismas. 3.- Disminuye el desgaste de las aspas de las turbinas. Reducción del consumo de calor del ciclo, cuando la temperatura del vapor que entra en la turbina se eleva. Clases de SOBRE CALENTADORES: Existen dos tipos de sobre calentadores: SOBRE CALENTADORES DE CONVECCION: Se colocan entre los tubos de la caldera de manera que reciban calor de los gases calientes por medio de convección. Se instalan más allá de la salida del hogar, donde la temperatura del gas son más bajas que las de las zonas en las que se usan los sobrecalentadores de tipo radiante. Por lo común, los tubos se disponen en la forma de elementos paralelos, con poco espaciamiento lateral y en bancos de tubos que se extienden parcial o completamente a través de la corriente de gas, con el gas fluyendo a través de los espacios relativamente angostos entre los tubos. Se obtienen gastos elevados de gas y en consecuencia velocidades altas de transferencia

de calor por convección a expensas de la caída de presión de gas a través del banco de tubos. El sobrecalentador de convección se emplea cuando la temperatura de los gases es pequeña. En una unidad generadora de vapor que utilice este diseño, la temperatura del vapor que sale del sobrecalentador aumenta con la producción de la caldera. Como el régimen de transferencia de calor por convección es casi proporcional al régimen de gases y, por tanto, a la producción de la caldera, la absorción total en el sobrecalentador de convección y la temperatura del vapor, aumentan con la producción de la caldera. Este efecto se acentúa tanto más, cuanto más alejado del hogar se ubique el sobrecalentador de convección y cuanto menor sea la temperatura de los gases que entran en el mismo.

SOBRECALENTADORES DE RADIACION: En este caso se coloca un sobre calentador antes de los tubos de la caldera de tal manera que reciba directamente la radiación del horno. Por lo general se disponen para expansión directa a los gases del hogar y, en algunos diseños, forman parte de la cubierta de éste. En otros diseños, la superficie se dispone en forma de espiras tubulares o planchas, con amplio espaciamiento lateral extendiéndose hacia el hogar. Esta superficie se expone a los gases a alta temperatura del hogar que se mueve a velocidades relativamente bajas, así que la transferencia de calor se hace por radiación. El sobrecalentador de radiación recibe la energía desde el hogar por radiación, y muy poca convección. Normalmente tiene una configuración de pantallas (paredes divisorias) o de placas colgadas formadas por tubos refrigerados por vapor, ampliamente espaciadas en la dirección perpendicular al flujo de gases. A veces, este sobrecalentador se incorpora a las paredes del cerramiento del hogar. Como el calor absorbido por las paredes del hogar no aumenta tan rápidamente como la producción de la caldera, la temperatura de salida del sobrecalentador radiante disminuye al aumentar la producción de la caldera. En ciertos casos, las dos curvas de variación de la temperatura, que tienen pendientes opuestas, correspondientes a los sobrecalentadores de convección y radiación, se pueden compensar combinando en serie ambos tipos de sobrecalentadores, obteniéndose para la temperatura del sobrecalentador una curva plana, en amplios márgenes de carga.

Configuraciones de los sobrecalentadores. UBICACION El calentador es de tipo convectivo el cual permite que la tmperatura de sobrecalentamiento sea independiente de la carga de la caldera. Cabe mencionar que esta subdividido en cuatro sobrecalentadores, en donde en los 2 ultimos hay una pequeña inyección de agua a través de un atemperador para controlar la temperatura de salida del sobrecalentador 3. - Sobrecalentador 1: Este es el único equipo que no está en suspensión desde el techo de la caldera (Figura 14). ). Los distintos sistemas están conectados en paralelos y afinados de tal manera uno con otro, quien los puntos de separación de los sistemas paralelos no se pueden originar diferencias de temperatura inisibles. Los humos a una temperatura de 1426 ºC le transfiere el calor a estas paredes y techo, bajando la temperatura de los gases a 1339 ºC, para luego pasar al:

. Sobrecalentador 1 - Sobrecalentador 3: El sobre calentador de alta presión 3 está suspendido del techo y dispuesto como primera superficie de calefacción en el flujo de gases de combustión en el paso horizontal, después del hogar y está compuesto por manojos de tubos paralelos y

verticales en forma de serpentines y separados uno de otro a una distancia de 37 mm (Figura 15).

Sobrecalentador 3 En los tubos la temperatura uniforme se logra mediante una selección adecuada de los grosores de pared y mediante una selección correspondiente de las longitudes. Aquí los gases entran a una temperatura de 1339 ºC, ceden su calor y salen a una temperatura de 1189 ºC, para luego pasar al: - Sobrecalentador 4: A igual que el sobrecalentador 3, está suspendido desde el techo. La unión al sobrecalentador de la etapa 4, se realiza del cabezal de salida del atemperador a través de 24 tubos de unión con 133 mm de diámetro exterior, del sobrecalentador de alta presión 3. Los serpentines de tubos de los sobrecalentadores 3 y 4, quedan colgados mediante resortes a través de dispositivos especiales de suspensión, que a su vez atraviesan el techo del tiro horizontal. Estos resortes compensan la diferencia de dilatación entre la dilatación de las paredes envolventes y de los tubos. Los gases entran a este sobrecalentador a una temperatura de 1179 °C, al ceder su calor estos gases salen con una temperatura de 995 ºC, y luego se desvían hacia el tiro vertical descendente (segundo paso vertical) y atraviesa otro grupo o manojos de serpentines tubos que van de arriba hacia abajo y uno después del otro, los cuales forman el:

- Recalentador: El recalentador de presión media está suspendido desde el techo y dispuesto como intercambiador de calor de manojos de serpentines de dos etapas horizontales y dispuestos en el tiro de convención vertical descendente, como superficie de calefacción superior y es fluido en contracorriente en la primera etapa y en la segunda etapa en corriente paralela a los gases de combustión (Figura 16). Los humos a una temperatura de 983 ºC le transfiere el calor a estas paredes y techo, bajando la temperatura de los gases a 673 ºC, para luego pasar al: - Sobrecalentador 2: Estos serpentines están dispuesto horizontalmente en el tiro de convección vertical (Figura 17). Los gases entran a 642 ºC, ceden su calor y salen con una temperatura de 381 ºC,

DISEÑO Los sobrecalentadores son de acero dulce, cuando la temperatura de recalentamiento no es superior a los 450 ºC, para temperaturas comprendidas entre 450 y 475 ºC, se usa acero dulce, al que se le agrega 0.5 % de molibdeno, para mayores temperaturas, se utilizan aleaciones de acero con bajo contenido de carbono, ya que este tipo de acero permite efectuar las soldaduras necesarias, sin necesidad de efectuar un precalentamiento previo del tubo. TAMAÑO DE LOS TUBOS En los sobrecalentadores se usan tubos cilíndricos lisos de 1.75” a 2.75” (44.5 a 69.9 mm) de diámetro exterior. Con tubos de menor diámetro, la caída de presión en el lado del vapor es más alta, siendo más difícil su alineación por el lado de los gases. Con tubos de mayor diámetro, las mayores solicitaciones debidas a la presión, se presentan En las unidades modernas, para evitar la acumulación de ceniza. -

Se aumenta la distancia entre los soportes de los tubos de sobrecalentadores horizontales Se separan aún más los tubos Se reduce el número de tubos por fila

En sobrecalentadores se emplean tubos lisos; si tienen superficies ampliadas en forma de aletas longitudinales, transversales o protuberancias, la limpieza de la superficie intercambiadora del lado de gases se complica; las superficies ampliadas pueden incrementar la temperatura de los tubos por encima de los límites de diseño. Diseño de sobrecalentadores.- Se deben considerar algunos parámetros, como: - La temperatura del vapor - El campo de cargas de la caldera, dentro del cual la temperatura del vapor generado debe estar controlada - La superficie del sobrecalentador para conseguir la temperatura del vapor - La zona de temperaturas de gases en la que se ubica la superficie del sobrecalentador - El tipo de acero para la construcción del sobrecalentador y sus soportes necesarios - El régimen del flujo de vapor en el interior de los tubos, que está limitado por la caída de presión, y que a su vez debe garantizar un control adecuado de la temperatura de los tubos - La disposición de la superficie para hacer frente a las características de los combustibles, en lo referente al espaciado de tubos para evitar la acumulación de ceniza, o para facilitar su eliminación en las primeras etapas de su formación - El diseño físico y tipo de sobrecalentador como estructura Para alcanzar la combinación óptima hay que: - Usar aleaciones de bajo precio - Tener en el lado del vapor una caída de presión razonable, sin comprometer la temperatura de los tubos - Disponer de un mayor flujo másico del vapor, para reducir la temperatura de los tubos - Considerar el espaciado de los tubos que minimice la acumulación de ceniza con diversos combustibles - Obtener un menor espaciado entre tubos, la más económica, para un suministro dado de combustible - Facilitar una disposición de tubos que mejore el tiro cuando este parámetro resulte crítico para la instalación - Ubicar el sobrecalentador en una zona de temperatura de gases elevada, para ahorrar superficie intercambiadora

SOPORTE DE SOBRECALENTADORES Diversas disposiciones típicas de la superficie básica de intercambio para los sobrecalentadores; permiten evaluar un intercambio económico que relaciona el coste de material y la diferencia de superficie requerida, justificada por consideraciones de índole termohidráulica. En los sobrecalentadores verticales, los puntos de soporte principales se encuentran fuera del flujo de gases, por lo que las pantallas con soportes de la sección principal situados encima del techo de la caldera, se soportan por sí mismas, a tracción.

- Cuando se dispone de un espaciado lateral perpendicular al flujo de gases y la limpieza de la ceniza no implica abrasión, se utilizan guías abrazaderas refrigeradas por vapor - Si la limpieza de la ceniza implica abrasión, por ejemplo cuando se quema carbón, se emplean guías de anillo en las aleaciones altas de cromo-níquel - En zonas con temperatura de humos elevada se utilizan elementos de ligadura, de lado a lado, para mantener los espaciados transversales - Para mantener la alineación de los tubos de cada pantalla en sistemas con espaciados laterales menores, las guías abrazadera refrigeradas por vapor no son prácticas, empleándose ligaduras mecánicas, como las uniones en D. En sobrecalentadores horizontales, la carga a soportar se transmite a los tubos de cerramiento refrigerados por vapor, o de la caldera. La unión entre tubos soporte y tubos del sobrecalentador se hace mediante dos tipos de guías, una soldada al tubo soporte y otra al tubo del sobrecalentador, deslizando una en la otra. Los soportes tipo cuna facilitan el movimiento relativo entre tubos contiguos del sobrecalentador.

DAÑOS Con el aumento del tamaño de las unidades, el espaciado entre los tubos del sobrecalentador horizontal aumenta, hasta el extremo de que es imposible soportar estos tubos sólo por sus extremos, empleándose un tubo tirante colgado desde la salida del economizador. El sobrecalentamiento de corta duración ocurre cuando la temperatura del tubo se eleva por encima de los límites de diseño durante un breve periodo. Dependiendo de la temperatura, la falla puede ocurrir en un tiempo muy corto. La falla suele ser causada por un trastorno en la operación de la caldera. Las condiciones que conducen a un sobrecalentamiento de corta duración son el taponamiento parcial o total del tubo y el flujo insuficiente de refrigerante, debido a condiciones alteradas o una entrada excesiva de calor del lado del hogar, o ambas cosas.

FIGURA. SOBRECALENTAMIENTO DE CORTA DURACION EN EL QUE SE TUVO COMBADURA ANTES QUE LA ROTURA

Tubo de sobrecalentador con corrosión-erosion en la pared exterior

Disminución de espesor en la zona fisurada

FIGURA 1.. PICADURAS DEBIDO AL OXIGENO EN UN TUBO DE SOBRECALENTADOR

A menudo los tubos también pueden fallar por corrosión debido a picaduras localizadas como resultado del ataque debido al oxígeno sobre el lado interno de los tubos Esto suele darse como consecuencia de un inadecuado control de oxígeno del agua de alimentación de las calderas. Todo el sistema en si es susceptible, pero el sitio más común de ataque son los tubos del sobrecalentador.

FIGURA 1.. ADELGAZAMIENTO DE LA PARED DEBIDO A LA CORROSIÓN POR CENIZA

Dependiendo la zona de la caldera tenemos sobrecalentadotes secundarios que son la entrada del vapor saturado de material de P11 y los sobrecalentadotes primarios que es la zona caliente o salida del vapor sobrecalentado de material P22, ambos especificados en la norma ASTM A 335. El mecanismo de falla en este sector de las calderas es el Creep, pero también en menor medida podemos encontrar disminución de espesor por corrosión-erosión, oxidación a alta temperatura con formación de una capa de óxido dura, poco conductora que actúa como refractario generando una elevación de temperatura en forma local.

MANTENIMIENTO. Limpieza interior.- No se suele exigir la limpieza interna de las superficies termointercambiadoras del sobrecalentador y del recalentador, aunque en algunas circunstancias se han limpiado por vía química. Durante la puesta en servicio inicial, el soplado de las tuberías de vapor se utiliza para eliminar escamas, aceites y otros residuos. Limpieza exterior y espaciado entre superficies.- Las unidades modernas se diseñan para funcionar entre dos retiradas de servicio consecutivas del orden de 18 a 24 meses seguidos, por lo que la limpieza del lado de gases se hace crítica. Para mejorar la limpieza, las secciones colgadas del sobrecalentador están espaciadas de acuerdo con la temperatura de los gases y el tipo de combustible que queme el generador de vapor.