Caldera de vapor
Una caldera de vapor es un recipiente a presión cerrado y calentado o un sistema de tuberías de presión que se utiliza para generar vapor de agua a una presión superior a la presión atmosférica (p> 1,013 bar absoluto) o agua caliente a temperaturas superiores a 100 ° C para fines de calefacción y funcionamiento . .
Si la caldera de vapor se utiliza para generar vapor, se denomina generador de vapor . Dependiendo del uso de vapor, se genera vapor saturado o vapor sobrecalentado en una caldera de vapor .
Dimensiones
El tamaño de las calderas de vapor es amplio. Abarca desde pequeñas calderas de vapor en el hogar (limpiador de vapor, plancha de vapor) y en botes ruidosos hasta calderas de vapor de torre en centrales de vapor con una altura de hasta 155 m con una producción de vapor de hasta 3600 t / h.
Por ejemplo, las dimensiones de la moderna unidad K de lignito de la central eléctrica de Niederaussem son :
- 168 m de altura de la sala de calderas,
- 2620 toneladas de vapor por hora,
- una potencia térmica de 2306 MW ,
- un consumo de combustible de 847 t por hora,
con parámetros de diseño 274 bar y 580 ° C ( vapor vivo ) o 600 ° C ( vapor secundario después del recalentador).
Caldera con cocción
El calor puede ser suministrado por la cocción con gaseosos, líquidos o sólidos combustibles .
Evaporador sin disparar
La transferencia de calor puede tener lugar por radiación o conducción,
- cuando una fuente de radiación, como la radiación solar enfocada , suministra energía,
- si un medio de enfriamiento en el circuito primario de un reactor suministra energía a partir del calor de la fisura nuclear,
- un producto de un proceso químico exotérmico calienta el intercambiador de calor,
- un calentamiento por resistencia funciona con energía eléctrica,
- El calor residual se alimenta a una turbina de gas en una central eléctrica de ciclo combinado o un motor de combustión interna o un motor de gas
etc.
El calor residual que se puede utilizar de esta manera proviene de reacciones químicas o de la fusión física de las materias primas. Los requisitos previos para el flujo de calor son suficientes
- Diferencias de temperatura y
- Flujos de masa
- Superficies de transferencia
En el caso de las calderas de combustión directa, los combustibles utilizados son el carbón , el petróleo crudo , el gas natural y cada vez más también la biomasa y los residuos .
En el caso de los combustibles sólidos, se distingue entre combustión con polvo , combustión con parrilla y combustión con lecho fluidizado .
Diseños
En términos de diseño, se hace una distinción entre generadores de vapor de alta velocidad, calderas de carcasa y calderas de tubos de agua. Las calderas de vapor calentadas eléctricamente también se utilizan para generar pequeñas cantidades de vapor.
Se hace una distinción entre calderas de vapor terrestres y calderas de vapor móviles . La caldera de vapor del país se encuentra en una ubicación permanente. Las calderas de vapor móviles son z. B. calderas de vapor en locomotoras , locomóviles , barcos o grúas con el fin de conducir un vehículo o un dispositivo de elevación por medio de una máquina de vapor o turbina de vapor.
Caldera de vapor de locomotora
La caldera de vapor de la locomotora fue originalmente una construcción remachada que se ha optimizado para uso móvil. La producción de vapor más alta posible tuvo que generarse en un espacio limitado. La caldera de vapor de la locomotora tiene un refrigerado por agua caja de fuego . Las paredes de la caja de fuego están estabilizadas con pernos prisioneros a la cubierta exterior. A la salida de la cámara de combustión , se conecta la llamada caldera larga , a través de la cual se dirigen los gases de combustión a los tubos de humo. Por lo general, consta de varias secciones de caldera remachadas o soldadas entre sí. Para aumentar la eficiencia de la máquina de vapor, se han utilizado bobinas de recalentamiento en potentes calderas de vapor de locomotoras , que se conducen a los tubos de humo como tubos en U. Las presiones de funcionamiento de la caldera de vapor de la locomotora suelen ser de 12 a 16 bar (Alemania) o de 14,1 a 21,8 bar (EE. UU.). Las presiones operativas más altas no han podido prevalecer.
Las nuevas calderas que se utilizaron después de la Segunda Guerra Mundial se han diseñado principalmente como construcciones soldadas debido al avance de la tecnología de soldadura.
Producción de vapor: hasta 22 t / h (Alemania, calderas de la serie 45, los llamados tipos de astillas no se tienen en cuenta); hasta más de 45 t / h (EE. UU., calderas de varias series)
Caldera de Shell
Se hace una distinción entre:
- Caldera de tubo de humo de tubo de llama
- Caldera de tubo de llama
- Caldera de tubo de humo
- Bol de rodillo.
Este tipo de caldera tiene una carcasa cilíndrica. A partir de la caldera de rodillos calentados por el lado de la carcasa del siglo XIX, se desarrolló aún más la caldera de tubo de llama, lo que da como resultado una transferencia de calor más efectiva. Con la introducción de la tecnología de soldadura, se creó la caldera de tubo de humo de tubo de llama. Al tubo de llama se le dio una cámara giratoria a través de la cual se dirige el flujo de gases de combustión hacia los tubos de gases de combustión aguas abajo. El diseño que se utiliza predominantemente en la actualidad es el tubo de llama, el tubo de humo y la caldera de tres pasos. Tiene un tubo de llama y dos conductos de gases de combustión y, por lo tanto, una cámara de giro delantera y trasera. El tren denota una superficie de calentamiento continua entre dos desviaciones de la trayectoria del flujo.
La caldera de tubos de humo es una caldera de calor residual. La caldera es un horno, z. B. una cámara de combustión, un horno o una turbina de gas aguas arriba.
La caldera de carcasa se utiliza para salidas de vapor y presiones de vapor de pequeñas a medianas. Las presiones son limitadas porque la camisa debe diseñarse para la presión con un diámetro de hasta 4 m. Los límites de rendimiento son:
Presiones de vapor: hasta 30 bar.
Producción de vapor: hasta 55 t / h (dos tubos de llama).
Todos los trabajos de soldadura en el cuerpo de la caldera son realizados por el fabricante. En el caso de calderas pequeñas y medianas, el aislamiento y la instalación del equipo también puede ser realizado por el fabricante, de manera que solo se debe realizar la conexión a los componentes del sistema de la caldera de vapor y al circuito consumidor de vapor. hecho en el sitio de instalación.
Caldera de tubo de agua
A diferencia de las calderas de carcasa, las calderas tubulares de agua contienen agua en los tubos. Este tipo de caldera se utiliza para presiones y salidas de vapor más altas. La caldera de tubo de agua también se utiliza para la combustión de combustible sólido, ya que la cámara de combustión, a diferencia de un tubo de llama, se puede diseñar como se desee disponiendo las paredes del tubo. Se pueden insertar sopladores de hollín en la trayectoria de los gases de combustión para limpiar las superficies de calentamiento cuando hay mucho polvo.
Las siguientes variantes pertenecen a las calderas tubulares de agua:
Las superficies de calentamiento son tocadas por los gases de escape calientes y absorben el calor. En el área de combustión (alta densidad de flujo de calor) y en áreas que están en peligro de extinción térmicamente o por abrasión / corrosión, se colocan revestimientos refractarios frente a las paredes de la tubería o las superficies se fijan con clavijas y se recubren con compuesto de apisonamiento. Para mejorar la transferencia de calor, los evaporadores de serpentín están conectados a los conductos de humos. Dado que el vapor generado por las calderas de tubos de agua se utiliza a menudo para turbinas de vapor, el vapor debe sobrecalentarse. Para ello, se cuelgan sobrecalentadores en la trayectoria de los gases de combustión en la zona de temperaturas medias de los gases de combustión . El precalentador de agua de alimentación ( economizador ) se suele utilizar en la última pasada . El calor residual todavía se puede utilizar en el precalentador de aire (LuVo) para calentar el aire de combustión. A continuación, el gas de escape se alimenta al sistema de limpieza de gases de escape .
La estabilidad estática de esta construcción se logra soldando las tuberías con hierro plano (imagen), que al mismo tiempo se vuelve impermeable a los gases de humo .
Generador de vapor rápido
El generador de vapor de alta velocidad es una caldera de tubos de agua para salidas más pequeñas para la generación de vapor húmedo o saturado . Las superficies de calentamiento constan únicamente de una disposición de tubos en forma de espiral. El quemador está dispuesto en el eje de la bobina de calentamiento. La cantidad de combustible y la cantidad de suministro de la bomba están coordinadas de tal manera que se genera vapor húmedo con un bajo contenido de agua residual. A menudo se coloca un separador de agua en la línea de vapor para lograr condiciones de vapor casi saturadas. Dado que el generador de vapor de alta velocidad no tiene volumen de almacenamiento, solo deben conectarse aquellos consumidores de vapor que requieran una cantidad uniforme de vapor. La ventaja del generador de vapor de alta velocidad se basa en el precio más bajo en comparación con la caldera de tubo de llama / tubo de humo y el corto tiempo de arranque desde el estado frío hasta el de funcionamiento. Los límites de rendimiento son presiones de vapor: hasta 32 bar con una producción de vapor de hasta 2 t / h.
Caldera de vapor eléctrica
La generación de vapor en calderas de vapor eléctricas se puede realizar de dos formas:
- Uso de varillas calefactoras sumergidas en el espacio de agua. El calentamiento se realiza mediante la resistencia óhmica de los devanados calefactores.
- Tres electrodos ( corriente trifásica ) aislados de la chaqueta se sumergen en el espacio de agua . El agua de la caldera actúa como electrolito y se calienta por la resistencia óhmica del agua. En este caso, se debe utilizar agua salada de la caldera para lograr una conductividad suficiente. Sin embargo, esta disposición rara vez se utiliza.
Las calderas de vapor eléctricas se utilizan cuando solo se requieren pequeñas cantidades de vapor o cuando solo se requiere vapor de manera irregular (por ejemplo, para sistemas de prueba). Otra razón para el uso de calderas de vapor eléctricas pueden ser los requisitos oficiales con respecto a las emisiones.
La producción de vapor generado eléctricamente de una caldera suele estar muy por debajo de 1 t / h. Los hervidores suelen constar de camisas cilíndricas con fondo abombado . Las varillas calefactoras se insertan y sellan en una brida ciega y se atornillan a un casquillo de brida de la caldera.
Los esterilizadores en hospitales o laboratorios a menudo reciben vapor de calderas eléctricas, que están integradas en la carcasa del sistema para ahorrar espacio. Las calderas de vapor eléctricas también pueden incluir planchas de vapor o dispositivos calentados con vapor para fines de limpieza o para quitar el papel tapiz .
Plantas de energía nuclear
En las centrales nucleares con reactores de agua hirviendo , el vapor se genera en la vasija de presión del reactor .
En las centrales nucleares con reactores de agua a presión , el vapor se genera en intercambiadores de calor en los que el agua de alimentación se evapora en el circuito secundario mediante el paso forzado del agua primaria calentada en la vasija de presión del reactor . En las centrales nucleares de Siemens AG / Kraftwerk Union hay generadores de vapor con tubos en U verticales , en la central nuclear Mülheim-Kärlich (BBC / BBR- Babcock-Brown Boveri Reaktor GmbH ) se utilizaban generadores de vapor verticales de tubo recto.
Generación de vapor en el diagrama Ts
El diagrama Ts muestra los cambios típicos en el estado del agua y el vapor de agua en un generador de vapor con sobrecalentador (se despreciaron las pérdidas de carga):
- 1-2 : Aumento de la presión del agua a la presión de la caldera de la bomba de alimentación
- 2-3 : Isobaras (a presión constante) aportación de calor hasta la temperatura de evaporación correspondiente a la presión
- 3-4 : evaporación isotérmica completa del agua
- 4-5 : sobrecalentamiento isobárico del vapor de agua resultante
(Consideraciones energéticas: ver planta de energía de vapor )
Uso de calderas de vapor
Las calderas de vapor se utilizan en particular cuando se requiere vapor y vapor sobrecalentado . Las calderas de vapor se utilizan en la industria energética en forma de generadores de vapor de centrales eléctricas para generar electricidad. Además de las diversas áreas de aplicación en la industria, por ejemplo en los sistemas de calefacción o en la producción, las calderas de vapor también se utilizan en la agricultura para la vaporización (desinfección del suelo) para la desinfección del suelo .
Seguridad de las calderas de vapor
Monitoreo de agua de desalación y caldera
En la caldera, especialmente en el generador de vapor, las sales se acumulan con el tiempo , ya que de la caldera solo se escapa agua químicamente pura por evaporación o evaporación y hay que reponer el agua cargada de sales. Estas sales deben eliminarse nuevamente mediante purga. De lo contrario, existe el riesgo de corrosión y formación de depósitos.
Si los depósitos en los tubos de humo o tubos de llama conducen inicialmente a un deterioro en la transferencia de calor y las pérdidas de energía asociadas, el contenido de sal excesivamente alto en la caldera conduce a una "formación de espuma", comparable a la cocción de patatas, i. En otras palabras, el agua salada de la caldera puede ser arrastrada con el vapor y provocar corrosión en las líneas de vapor aguas abajo y en los componentes del sistema. Si los depósitos se acumulan hasta tal punto que se obstaculiza la transferencia de calor de las superficies de calentamiento al agua de la caldera, las superficies de calentamiento se sobrecalentarán, lo que puede provocar quemaduras y, por lo tanto, la explosión de la caldera. Las consecuencias son similares a las del daño por deficiencia de agua.
La caldera está protegida preventivamente contra tales daños mediante controles de purga automática. Los sistemas de medición de conductividad conductiva monitorean permanentemente la conductividad eléctrica del agua de la caldera. Si se superan los límites definidos, el agua se descarga mediante una válvula de purga . Se hace una distinción entre sistemas de dos y cuatro electrodos, análogos a los circuitos de dos y cuatro hilos . Si la medición de dos electrodos es adecuada para monitorear el agua limpia de la caldera en un rango de conductividad preferido de 0.5 a 1000 µS / cm, la medición de cuatro electrodos se usa principalmente donde se esperan depósitos y depósitos, dependiendo de los componentes del agua de la caldera. Con la medición de dos electrodos, los depósitos que aumentan la resistencia se incluyen directamente en el resultado de la medición, es decir, Es decir, se simula una conductividad más baja. Los sistemas probados con componentes reconocen este hecho y emiten un mensaje de error. Los sistemas simples simplemente muestran una conductividad más baja. Sin embargo, con el método de medición de cuatro electrodos, la separación de los electrodos portadores de corriente y los electrodos utilizados para la medición excluye los efectos de polarización en el resultado de la medición y también compensa la suciedad o la formación de depósitos en la medida de lo posible. Los sistemas probados por componentes tienen compensación automática de temperatura, i. Esto significa que el aumento de conductividad como resultado de un aumento de temperatura se compensa de forma automática y permanente.
En la caldera se eliminarán las partículas sedimentadas mediante purga .
Normas de calidad
Las calderas de vapor son equipos a presión con riesgo de sobrecalentamiento en el sentido de la Directiva de Equipos a Presión 2014/68 / UE (hasta 07-2016 RL 97/23 / EC) y solo pueden comercializarse si el fabricante lo ha demostrado mediante un procedimiento de evaluación de la conformidad con la participación de un organismo notificado de que se han cumplido los requisitos básicos de seguridad de la directriz. El fabricante coloca la marca CE y emite una declaración CE de conformidad .
Las normas armonizadas de productos para calderas de vapor son:
- EN 12952-1 a 17: calderas tubulares de agua
- EN 12953-1 a 14: Calderas Shell
- EN 14222: Caldera de carcasa de acero inoxidable
Al aplicar estas normas, el fabricante puede asumir que cumple con los requisitos básicos de seguridad de la directiva (presunción de conformidad).
La base para el requisito de sistemas de medición de conductividad fiables se puede encontrar en las reglas TRD 604. Los requisitos que son un requisito previo para un examen de tipo se pueden encontrar, por ejemplo, en: B. en el folleto de VdTÜV "Instalaciones de control del agua 100".
Sin embargo, también se pueden utilizar otras normas y reglamentaciones. Sin embargo, el fabricante debe demostrar que cumple con los requisitos básicos de seguridad de la Directiva de equipos a presión.
Reglas de funcionamiento
Las calderas de vapor o los sistemas de calderas de vapor tienen un alto potencial de riesgo debido a su alta energía almacenada y su alta presión interna. Por tanto, pertenecen a los sistemas que requieren monitorización según la Ordenanza de Seguridad Industrial . Debido a estas disposiciones son
- tener la caldera de vapor controlada por un órgano de vigilancia aprobado antes de la puesta
- obtener permiso para operar este sistema de la autoridad competente
- Realizar pruebas periódicas (pruebas internas y externas, pruebas de resistencia, pruebas funcionales de los dispositivos de seguridad) por un organismo de control homologado dentro de determinados plazos.
En la mayoría de los casos, los sistemas mencionados solo pueden ser operados por especialistas calificados, operadores de plantas de calefacción , asistentes de calderas o calentadores .
Ver también
literatura
- Resch, Fritz Mayr Publicado por Kesselbetriebstechnik.
- Wolfgang Noot: Desde calderas tipo maleta hasta grandes centrales eléctricas: el desarrollo en la construcción de calderas. Conceptos básicos, construcción, aplicaciones . Vulkan-Verlag, Essen 2011, ISBN 978-3-8027-2558-6 .
Evidencia individual
- ↑ Imagen de tubos soldados. Consultado el 8 de febrero de 2019 .
- ↑ a b c control del agua de la caldera. (Ya no está disponible en línea.) IGEMA GmbH, anteriormente en el original ; Consultado el 22 de octubre de 2012 . ( Página ya no disponible , buscar en archivos web ) Información: El enlace se marcó automáticamente como defectuoso. Verifique el enlace de acuerdo con las instrucciones y luego elimine este aviso.
