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precalentador de aire

Diagrama esquemático de un generador de vapor típico de una central eléctrica de carbón, que muestra la ubicación del precalentador de aire (APH). Un precalentador de aire es cu...

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Diagrama esquemático de un generador de vapor típico de una central eléctrica de carbón, que muestra la ubicación del precalentador de aire (APH).

Un precalentador de aire es cualquier dispositivo diseñado para calentar el aire antes de otro proceso (por ejemplo, la combustión en una caldera), con el objetivo principal de aumentar la eficiencia térmica del proceso. Pueden utilizarse solos o para reemplazar un sistema de recuperación de calor o una serpentina de vapor.

En particular, este artículo describe los precalentadores de aire de combustión utilizados en grandes calderas que se encuentran en centrales térmicas que producen energía eléctrica a partir de, por ejemplo, combustibles fósiles , biomasa o residuos . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Por ejemplo, dado que al precalentador de aire Ljungström se le han atribuido ahorros de combustible a nivel mundial estimados en 4.960.000.000 de toneladas de petróleo , "pocos inventos han tenido tanto éxito en el ahorro de combustible como el precalentador de aire Ljungström", marcado como el 44.º hito histórico internacional de la ingeniería mecánica por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos . [ 6 ]

El precalentador de aire tiene como objetivo recuperar el calor de los gases de combustión de la caldera, lo que aumenta su eficiencia térmica al reducir la pérdida de calor útil en dichos gases. Como consecuencia, los gases de combustión se conducen a la chimenea a una temperatura más baja, lo que simplifica el diseño del sistema de conducción y de la chimenea. Además , permite controlar la temperatura de los gases que salen de la chimenea (para cumplir con las normativas de emisiones, por ejemplo). Se instala entre el economizador y la chimenea.

Tipos

Existen dos tipos de precalentadores de aire para su uso en generadores de vapor en centrales térmicas : uno es de tipo tubular, integrado en el conducto de gases de combustión de la caldera, y el otro es un precalentador de aire regenerativo . [ 1 ] [ 2 ] [ 7 ] Estos pueden disponerse de manera que el gas fluya horizontal o verticalmente a través del eje de rotación.

Otro tipo de precalentador de aire es el regenerador que se utiliza en la fabricación de hierro o vidrio.

Tipo tubular

Características de construcción

Los precalentadores tubulares constan de haces de tubos rectos que atraviesan el conducto de salida de la caldera y se abren en ambos extremos fuera del conducto. Dentro del conducto, los gases calientes del horno circulan alrededor de los tubos del precalentador, transfiriendo el calor de los gases de escape al aire que circula por su interior. Un ventilador impulsa el aire ambiente a través del conducto situado en un extremo de los tubos del precalentador, y en el otro extremo, el aire caliente procedente del interior de los tubos sale a otro conjunto de conductos que lo transportan al horno de la caldera para su combustión.

Problemas

Los conductos tubulares de precalentamiento para aire frío y caliente requieren más espacio y soportes estructurales que un diseño de precalentamiento rotatorio. Además, debido a los gases de combustión abrasivos cargados de polvo, los tubos exteriores se desgastan más rápidamente en el lado expuesto al flujo de gas. Se han realizado numerosos avances para solucionar este problema, como el uso de cerámica y acero endurecido.

Muchos generadores de vapor de lecho fluidizado circulante (CFB) y de lecho fluidizado burbujeante (BFB) de nueva generación incorporan actualmente calentadores de aire tubulares, lo que supone una ventaja con respecto a las piezas móviles de un tipo rotatorio.

corrosión por punto de rocío

La corrosión por punto de rocío se produce por diversas razones. [ 8 ] [ 9 ] El tipo de combustible utilizado, su contenido de azufre y su contenido de humedad son factores que contribuyen a ella. Sin embargo, el factor más significativo en la corrosión por punto de rocío es, sin duda, la temperatura del metal de los tubos. Si la temperatura del metal dentro de los tubos desciende por debajo de la temperatura de saturación ácida, generalmente entre 190  °F (88  °C) y 230  °F (110  °C), pero a veces hasta 260  °F (127  °C), entonces el riesgo de daños por corrosión por punto de rocío se vuelve considerable.

Precalentadores de aire regenerativos

Existen dos tipos de precalentadores de aire regenerativos : los precalentadores de aire regenerativos de placas giratorias (RAPH) y los precalentadores de aire regenerativos de placas fijas (Rothemuhle). [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 10 ]

Precalentador de aire regenerativo de placas giratorias

Precalentador de aire regenerativo de placa giratoria típico (tipo bisectorial) [ 11 ]
Función principal del precalentador de aire regenerativo Ljungström de Fredrik Ljungström .

El diseño de placa giratoria (RAPH) [ 2 ] consiste en un elemento central de placa giratoria instalado dentro de una carcasa dividida en dos ( tipo bisectorial ), tres ( tipo trisectorial ) o cuatro ( tipo cuatrisectorial ) sectores que contienen sellos alrededor del elemento. Los sellos permiten que el elemento gire a través de todos los sectores, minimizando las fugas de gas entre ellos y proporcionando conductos separados para el aire y los gases de combustión en cada sector.

Los tipos trisectoriales son los más comunes en las instalaciones modernas de generación de energía. [ 12 ] En el diseño trisectorial, el sector más grande (que generalmente abarca aproximadamente la mitad de la sección transversal de la carcasa) está conectado a la salida de gases calientes de la caldera. El gas de escape caliente fluye sobre el elemento central, transfiriéndole parte de su calor, y luego se canaliza para su posterior tratamiento en colectores de polvo y otros equipos antes de ser expulsado por la chimenea . El segundo sector, más pequeño, se alimenta con aire ambiente mediante un ventilador , que pasa sobre el elemento calentado mientras gira dentro del sector, y se calienta antes de ser transportado al horno de la caldera para la combustión. El tercer sector es el más pequeño y calienta el aire que se dirige a los pulverizadores y se utiliza para transportar la mezcla de carbón y aire a los quemadores de la caldera de carbón. De esta manera, el aire total calentado en el RAPH proporciona: aire de calentamiento para eliminar la humedad del polvo de carbón pulverizado, aire portador para transportar el carbón pulverizado a los quemadores de la caldera y el aire primario para la combustión.

El rotor es el medio de transferencia de calor en este sistema y suele estar compuesto de acero o cerámica . Gira a una velocidad relativamente baja (entre 1 y 2 RPM ) para permitir una transferencia de calor óptima, primero desde los gases de escape calientes al elemento calefactor y, posteriormente, a medida que gira, desde el elemento al aire más frío de los demás sectores.

Características de construcción

En este diseño, toda la carcasa del precalentador de aire se apoya en la propia estructura de soporte de la caldera, con las juntas de dilatación necesarias en los conductos.

El rotor vertical se apoya en cojinetes axiales en su extremo inferior y cuenta con lubricación por baño de aceite, refrigerado por agua que circula en serpentines dentro del baño. Esta disposición permite refrigerar el extremo inferior del eje, ya que este extremo del rotor vertical se encuentra en el extremo caliente del conducto. El extremo superior del rotor dispone de un simple cojinete de rodillos para mantener el eje en posición vertical.

El rotor se monta sobre un eje vertical con soportes radiales y jaulas para mantener las cestas en posición. También se incluyen placas de sellado radiales y circunferenciales para evitar fugas de gases o aire entre los sectores o entre el conducto y la carcasa durante la rotación.

Para la limpieza en línea de los depósitos de las cestas, se utilizan chorros de vapor que recogen el polvo y las cenizas expulsados ​​en la tolva de cenizas inferior del precalentador de aire. Esta tolva de polvo está conectada para su vaciado junto con las tolvas principales de los colectores de polvo.

El rotor es accionado por un motor neumático y un engranaje, y debe ponerse en marcha antes de arrancar la caldera y mantenerse en rotación durante un tiempo después de apagarla, para evitar la dilatación y contracción desiguales que podrían provocar deformaciones o grietas en el rotor. El aire de la central suele ser totalmente seco (se requiere aire seco para la instrumentación), por lo que se inyecta aceite al aire utilizado para accionar el rotor, con el fin de lubricar el motor neumático.

Se proporcionan ventanas de inspección con protección de seguridad para observar el funcionamiento interno del precalentador en todas las condiciones de funcionamiento.

Las cestas se encuentran en las carcasas sectoriales del rotor y son reemplazables. La vida útil de las cestas depende de la abrasividad de las cenizas y de la corrosividad de los gases de salida de la caldera.

Problemas

Los gases de combustión de la caldera contienen numerosas partículas de polvo (debido a su alto contenido de cenizas) que no contribuyen a la combustión, como la sílice, la cual provoca un desgaste abrasivo en las cestas. Además, según la composición del combustible, pueden contener gases corrosivos. Por ejemplo, los carbones de la India suelen generar altos niveles de cenizas y sílice en los gases de combustión. Por consiguiente, el desgaste de las cestas suele ser mayor que con otros combustibles de combustión más limpia.

En este precalentador de aire, los gases corrosivos de la caldera, cargados de polvo, deben pasar entre los elementos de las cestas. Estos elementos están formados por placas corrugadas en zigzag prensadas en una cesta de acero, lo que proporciona un espacio anular suficiente para el paso del gas. El corrugado de estas placas aumenta la superficie de absorción de calor y les confiere rigidez para apilarlas en las cestas. Por ello, se requieren reemplazos frecuentes y siempre se mantienen cestas nuevas. En sus inicios, se utilizaba acero Cor-ten para los elementos. Hoy en día, gracias a los avances tecnológicos, muchos fabricantes utilizan sus propias patentes. Algunos fabricantes suministran diferentes materiales para los elementos con el fin de prolongar la vida útil de las cestas.

En ciertos casos, los depósitos sin quemar pueden acumularse en los elementos del precalentador de aire, provocando que este se incendie durante el funcionamiento normal de la caldera, lo que da lugar a explosiones en su interior. En ocasiones, pueden detectarse explosiones leves en la sala de control mediante variaciones en las temperaturas de entrada y salida del aire de combustión.

Esquema de un precalentador de aire regenerativo típico de placas estacionarias.

Precalentador de aire regenerativo de placas estacionarias

En este tipo de precalentador de aire regenerativo, los elementos calefactores de la placa también están instalados en una carcasa, pero son fijos en lugar de giratorios. En cambio, los conductos de aire del precalentador giran para exponer alternativamente secciones de los elementos calefactores a la corriente de aire frío ascendente. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

Como se indica en el dibujo adjunto, hay conductos de entrada de aire giratorios en la parte inferior de las placas fijas, similares a los conductos de salida de aire giratorios en la parte superior de las placas fijas. [ 13 ]

Los precalentadores de aire regenerativos de placas fijas, también conocidos como precalentadores Rothemuhle, son fabricados desde hace más de 25 años por Balke-Dürr GmbH de Ratingen , Alemania .

Regenerador

Un regenerador consiste en una cuadrícula de ladrillos: ladrillos colocados con espacios equivalentes al ancho de un ladrillo entre ellos, de manera que el aire pueda fluir con relativa facilidad a través de la cuadrícula. La idea es que, a medida que los gases de escape calientes fluyen a través de la cuadrícula, ceden calor a los ladrillos. El flujo de aire se invierte entonces, de modo que los ladrillos calientes calientan el aire de combustión y el combustible entrantes. En un horno de fusión de vidrio, un regenerador se ubica a cada lado del horno, a menudo formando un conjunto integral. En un alto horno , los regeneradores (comúnmente llamados estufas Cowper ) se ubican separados del horno. Un horno necesita al menos dos estufas, pero puede tener tres. Una de las estufas funciona con gas, recibiendo gases calientes de la parte superior del horno y calentando la cuadrícula interior, mientras que la otra funciona con aire frío, recibiendo aire de los ventiladores, calentándolo y enviándolo al alto horno.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 Sadik Kakaç; Hongtan Liu (2002). Intercambiadores de calor: selección, clasificación y diseño térmico (2ª  ed.). Prensa CRC. ISBN 0-8493-0902-6.
  2. 1 2 3 4 5 Babcock & Wilcox Co. (2005). Vapor: su generación y uso (41.ª ed.). ISBN  0-9634570-0-4.
  3. 1 2 3 Sadik Kakaç, ed. (abril de 1991). Calderas. Evaporadores y condensadores . Wiley Interscience. ISBN 0-471-62170-6.(Véase el capítulo 8 de ZH Lin)
  4. ↑ British Electricity International (1991). Modern Power Station Practice: incorporating modern power system practice (3.ª edición (conjunto de 12 volúmenes) ed.). Pergamon. ISBN  0-08-040510-X.
  5. ↑ Thomas C. Elliott; Kao Chen; Robert Swanekamp (1997). Manual estándar de ingeniería de centrales eléctricas (2.ª ed.). McGraw-Hill Professional. ISBN  0-07-019435-1.
  6. ↑ "El precalentador de aire Ljungström 1920" . asme.org . Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos. 21 de junio de 1995. Archivado del original el 20 de octubre de 2016. Consultado el 5 de abril de 2019 .
  7. ↑ "Precalentador de aire Trisector Ljungström" . Archivado del original el 28 de septiembre de 2007. Consultado el 24 de mayo de 2007 .
  8. ↑ Ejemplos de corrosión por punto de rocío
  9. ↑ Más ejemplos de corrosión por punto de rocío
  10. ↑ Lawrence Drbak; Patricia Boston; Kalya Westra; R. Bruce Erickson, eds. (1996). Ingeniería de centrales eléctricas (Black and Veatch) . Chapman & Hall. ISBN 0-412-06401-4.
  11. ↑ Curso SI:428A Publicación en línea del Instituto de Capacitación sobre Contaminación del Aire de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos , conocido como APTI (Desplácese hacia abajo hasta la página 23 de 28)
  12. ↑ " Aire acondicionado "
  13. ↑ "Guía de limpieza de conductos" .Martes, 11 de junio de 2019
  • Historia del precalentador de aire Ljungström