Generadores de Vapor

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GENERADORES DE VAPOR
Dr. Miguel ASUAJEDr. Miguel ASUAJE
Octubre 2009
La Central Termoeléctrica a Vapor
Central termoeléctrica a vapor
Central de Generación Potencia
con Desechos Municipales
Central Nuclear de Propulsión
Circuito aire -
combustible
Circuito Agua -
Vapor
Circuito 
Enfriamiento
Circuito Energía 
eléctrica.
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
Circuitos de funcionamiento
-Instalaciones industriales que, 
aplicando el calor de un combustible 
sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el 
agua para aplicaciones en la 
industria.
Fuente: http://www.cogeneration.net/Combined_Cycle_Power_Plants.htm
- Producción de vapor: consecuencia del funcionamiento integrado de un 
conjunto de elementos como lo son: la caldera, el horno, el 
sobrecalentador, el calentador de aire, el economizador, el equipo de 
combustión y el sistema de extracción de ceniza y escoria entre otros.
- Equipo cuya función es la generación de vapor saturado a partir de la 
energía transferida por el proceso de combustión de un combustible o la 
fisión de un elemento nuclear.
Fuente: Annaratone, D. “Steam Generators. Description and Design” Springer, 2008
Limpia, no contaminante y “disponible”
Curva de saturación fuertemente 
ascendente
Gran aporte de calor en la vaporización
Viscosidad baja
Fluido de Trabajo!
[ ]barCp OsatH 023.020@
2
š
EnormeC ⇒°20@υ
El Agua
¿El problema?
El cambio de Volumen en función de la P y T
La variación de volumen en la turbina
Además, para la presión de condensación a
bajas temperaturas, requiere vacío
2000
02.0
40
3
3
≈==Δ
kg
m
kg
m
sal
Ent
υ
υυ
Generador de Vapor o Caldera
Clasificación
Según el 
pasaje del 
fluido
Movimiento del 
fluido
Presión de 
Operación
Humotubulares
Acuotubulares
Circulación natural
Circulación forzada
Subcríticas
Supercríticas
Otras
Clasificación
-Por su configuración:
- Vertical
- Horizontal
-Por el mecanismo de transmisión de calor dominante:
- Convección
- Radiación
- Convección y Radiación
-Por el tiro:
- De tiro natural
- De hogar presurizado
- De hogar equilibrado
Fuente: Pérez, Elver A. “INCREMENTAR LA EFICIENCIA EN LA CALDERA 
N°6 DE CENTRAL EL PALMAR S.A.” Informe de pasantía. Marzo 2008
Clasificación
-Por el combustible empleado:
- Combustibles sólidos 
- Combustibles líquidos
- Combustibles gaseosos 
- Combustibles especiales (Licor negro, bagazo, etc.) 
- De recuperación de calor de gases 
-Mixtas 
- Nucleares
Clasificación
-Por el modo de gobernar la operación:
- De operación manual
- Semiautomáticas
- Automáticas
-Por la presión de operación
- Subcríticas
Baja presión: 0-2 MPa.
Mediana presión: 2,1-6,2 MPa.
Alta presión: 6,2-22 MPa.
- Supercríticas
>22,1 MPa. (No requiere separación líquido-vapor)
Caldera de alta potencia de doble 
tambor
Fuente: Annaratone, D. “Steam Generators. Description and 
Design” Springer, 2008
Clasificación
-Por su aplicación:
- Calderas industriales: Generalmente producen vapor saturado con 
flujos > 6,3 kg/seg y presiones <2 MPa.
- Calderas marinas: Usualmente producen vapor sobrecalentado con 
presiones alrededores de 6,2 MPa y temperaturas de 540 ºC.
- Calderas para generación de potencia de eléctrica: 
Generación de vapor por encima de las 1000 ton/hr. Presiones pueden ser subcríticas o 
supercríticas, y con temperatura de vapor normalmente de 540 ºC.
Generador de Vapor o Caldera
Generador de Vapor o Caldera
Caldera de Tubo de Humo
Piro tubular
Caldera de Tubo de Agua
Acutubular
Generador de Vapor o Caldera
Humotubulares Acuotubulares
Los gases calientes van por los tubos
El agua y el vapor van por los tubos
Generador de Vapor o Caldera
Humotubulares Acuotubulares
Clasificación
-Por la disposición de los fluidos:
- Pirotubulares:
Los gases de combustión circulan por el interior 
de los tubos, instalados normalmente en la parte 
inferior de un tambor sencillo o de un casco.
Manejan presiones de operación de 0-300 Psi. 
Fuente: Pérez, Elver A. “INCREMENTAR LA EFICIENCIA EN LA 
CALDERA N°6 DE CENTRAL EL PALMAR S.A.” Informe de 
pasantía. Marzo 2008
Ventajas
- Menor costo inicial debido a la 
simplicidad de su diseño. 
- Mayor flexibilidad de operación. 
-Menores exigencias de pureza en el agua 
de alimentación. 
Inconvenientes: 
- Mayor tiempo para subir presión y 
entrar en funcionamiento. 
- No son empleables para altas presiones. 
Caldera Pirotubular
Clasificación
-Por la disposición de los fluidos:
- Acuotubulares:
El agua circula por el interior de los tubos, 
mientras que el fuego o gases producto de la 
combustión es aplicado en la superficie exterior de 
los mismos. Manejan presiones de operación de 0-
2200 Psi. 
Fuente: Pérez, Elver A. “INCREMENTAR LA EFICIENCIA EN LA 
CALDERA N°6 DE CENTRAL EL PALMAR S.A.” Informe de 
pasantía. Marzo 2008
Ventajas
- Pueden ser puestas en marcha 
rápidamente y trabajan a 300 o 
mas psi. 
Inconvenientes: 
-Mayor tamaño y peso, mayor costo.
-Debe ser alimentada con agua de gran 
pureza. 
Clasificación
-Por el arreglo:
- Circulación natural
La circulación del agua ocurre debido a los cambios en su propia densidad. El
agua proveniente del tambor, desciende a través de una serie de tuberías hacia el horno 
“Hogar”, posteriormente el flujo regresa al tambor a través de los tubos evaporativos. 
Durante este regreso ya el fluido contiene una mezcla aire-vapor, y posee una densidad 
más baja. El fluido es impulsado por esa diferencia de densidad venciendo la fricción de 
los tubos verticales. Es simple, eficiente y frecuentemente empleada en los diseños.
Capacidad: 1360 - 3175 Ton/hr. de vapor
Presiones: 12,4 – 17,34 MPa. 
Temperatura alrededor de 540 ºC.
Caldera con circulación 
natural
Fuente: Annaratone, D. “Steam Generators. 
Description and Design” Springer, 2008
Clasificación
-Por el arreglo:
- Circulación forzada
El impulso natural del agua motivado por los cambios de densidad no alcanza 
para vencer la resistencia de los tubos. Una alternativa es el empleo de una bomba de 
agua para impulsar el fluido. La bomba de circulación toma el agua del tambor y suple 
hacia los cabezales a la parte de abajo del horno. Mientras el agua circula hacia arriba, 
recibe el calor producto de la combustión. 
- Calderas de una sola vía
No existen tambores de separación: el agua fluye a través de la sección de 
evaporación sin recirculación. Este arreglo es utilizado cuando la presión es supercrítica. 
La capacidad de generación excede los 4500 Ton/Hr. 
Caldera con circulación 
forzada
Fuente: Annaratone, D. “Steam Generators. 
Description and Design” Springer, 2008
Generador de Vapor
Tubos de agua
Tsalida de gases altas ~ 
300 °C. Se evita 
condesación del 
azufre
Rendimiento más
bajo
Potencias mas 
grandes
Trabajan con vapor 
sobrecalentado a 
presiones medias 
altas 20 < p < 55 bar
Aplicaciones 
Industriales 
“Grandes”
Tubos de fuego
Tsalida de gases bajas ~ 
220-250 °C
Mejor rendimiento
Potencias limitadas. 
Cantidad de agua a 
presión
Suministran vapor 
saturado a bajas 
presiones < 15 bar
Hoteles, 
Lavanderías, 
Hospitales
Generador de vapor
660 MW coal fired boilers, electrostatic precipitators associated with 
SO3 conditioning and a flue gas desulphurization plant
El Generador de Vapor
Caldera Acuotubular
R
R
Vapor
Gases de Escape
Q Quemadores
R Tambores
S Sobrecalentadores
Q
Q
Generador de vapor
Caldera de Lecho Fluidizado
El Generador de Vapor
Resumen: LA PRESENTE INVENCION SE 
REFIERE A UNA CALDERA QUE LLEVA UN 
HOGAR (1) CON LECHO FLUIDIZADO 
CIRCULANTE, UN ORGANO DE SEPARACION 
(2) DE LOS GASES Y DE LOS SOLIDOS 
EXTRAIDOS DE ESTE HOGAR, UN LECHO 
FLUIDIZADO DENSO EXTERNO (3) ENTRE 
LA SALIDA SOLIDA (23) DE ESTE ORGANO 
DE SEPARACION (2) Y LA BAJA DEL HOGAR 
(1), COMPRENDIENDO ESTE LECHO 
EXTERNO UN PRIMER INTERCAMBIADOR 
TERMICO (3A) EN EL QUE CIRCULA UN 
FLUIDO PORTADOR DE CALOR QUE HAY 
QUE EVAPORAR. LA SALIDA(30) DE ESTE 
PRIMER INTERCAMBIADOR ESTA 
CONECTADO A UN SEGUNDO 
INTERCAMBIADOR TERMICO (3B) 
COLOCADO EN EL HOGAR (1).
Desempeño Generador de vapor
Caldera Supercrítica
Desempeño Generador de vapor
Desempeño Generador de vapor
Caldera Supercrítica
Desempeño Generador de vapor
Calderas Supercríticas
El camino del aire y los gases
- Se suministra la energía requerida para transformar el agua en vapor.
- Precalentamiento del aire
- Mezcla del aire y combustible
- Combustión
- Transferencia de calor generativa
- Escape
- Componentes principales:
- Hogar de la caldera
- Alimentador de combustible 
(Ej. carbón, gas, fuel oil, etc)
- Escape o chimenea 
Fuente: Pérez, Elver A. “INCREMENTAR LA EFICIENCIA EN LA CALDERA N°6 DE CENTRAL EL PALMAR S.A.” Informe de pasantía. Marzo 2008
Aire primario desde el 
pre-calentador
Hogar 
principal
combustible
Hogar de la caldera
Vapor sobrecalentado
a turbina de baja presión
Líquido comprimido 
desde la bomba
Quema de 
combustible
- Temperatura de gases de combustión 
alcanza cerca de 2500 °C (1400 ~ 1500°C)
- Temperatura máx de los tubos ~ 650°C
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
Pulverizador de Carbón
Alimentador del 
Pulverizador de Carbón
Carbón:
Una vez pulverizado es 
separado del aire y 
almacenado. Luego Se 
alimenta en corriente de 
aire hacia quemadores
Metano/Fuel Oil:
Se alimentan directo a 
quemadores
Alimentador de combustible
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
Chimenea
El efecto densidad ayuda a la expulsión de los gases calientes. Asimismo, el diseño 
de la chimenea y los ventiladores ayudan a expulsar y disipar los gases a altas 
velocidades en la atmósfera
Torres de enfriamiento Chimenea
Emisiones
• Dependen del tipo de combustible-aplicación e incluyen:
• Oxido Nitroso (NOx). Niveles son afectado principalmente por:
• Temperatura de llama
• Cantidad de nitrógeno en el combustible
• Exceso de aire en la combustión (pobreza de mezcla)
• Temperatura del aire en la combustión
• Responsable de lluvia ácida
• Oxido Sulfúrico (SOx). Mayormente en fuel-oil y carbón. Responsable lluvia ácida
• Partículas sólidas (PM)
• Mayor en combustibles menos destilados
• Compuestas por nitratos, sulfatos, carbonos, óxidos y otros 
• Monóxido de Carbono (CO)
• Resulta de combustión incompleta del carbón
• Diseños mejorados de quemadores reducen drásticamente el CO
• Dióxido de Carbono (CO2)
• Responsable de efecto invernadero
• Nivel de emisión depende de combustible y eficiencia del sistema
Control de Emisiones
• NOx (foco principal de mejoras en calderas)
• Control de emisiones en el proceso de combustión
• Flue Gas Recirculation (FGR). Mecanismo más efectivo mediante 
recirculación de gases para enfriar la llama
• Low Excess Air Firing (LAE)
• Combustibles de bajo contenido de Nitrógeno
• Modificaciones en quemadores
• Inyección de vapor/agua en la llama
• Control de emisiones post-combustión
• Selective Non-Catalytic Reduction (SNCR)
• Selective Catalytic Reduction (SCR)
• SOx se pueden reducir hasta en 95% por Fuel Gas Desulfurization (FGD)
El camino del agua y del 
vapor
- El agua es sometida a un proceso para la obtención de vapor, 
requerido para la generación de potencia o procesos industriales.
- Vaporización del agua
- Sobrecalentamiento
- Expansión
- Condensación
- Realimentación
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
Fuente: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp
Componentes principales
.- Turbina: convierte energía 
interna del vapor 
sobrecalentado en energía 
cinética en toberas, para 
luego convertirla en torque 
en rotor y electricidad en 
generador
.- Bomba: centrífuga de 
alimentación a Caldera
.- Caldera: intercambiador 
de calor que convierte 
líquido comprimido en vapor 
sobrecalentado
.- Condensador: int. de calor 
que retira exceso de calor a 
la salida de la turbina 
Fuente: Pérez, Elver A. “INCREMENTAR LA EFICIENCIA EN LA CALDERA N°6 DE CENTRAL EL PALMAR S.A.” Informe de pasantía. Marzo 2008
Caldera
Aspectos resaltantes: 
• Las tuberías de la caldera circulan el agua desde y hacia el tambor 
pasando por el Hogar y se dividen en ascendentes y descendentes (estas 
últimas generalmente no se calientan). Liq.comp ⇒ Vap.Sobrec.
Vapor sobrecalentado
a turbina de baja presión
Líquido comprimido 
desde la bomba
Quema de 
combustible
líquido-vapor saturado
Calor 
entrante
Tubos 
ascendentes
Tubos 
descendentes
Tambor
Entrada agua 
alimentación
Salida de vapor
Operación de la Caldera Flujo en tuberías 
Caldera
Operación de la Caldera
Fuente: http://www.affordable-energy.org/kids/power-plant-tour/plant-tour9.asp
TAMBOR
Materiales de tuberías:
• Aceros al carbono
Tmax = 370 °C
• Aceros ferríticos
Tmax = 540 °C (típico)
• Aceros inoxidables 
austeníticos
Tmax = 650 °C
Calderas
4 Pass, SINGLE Cross DRUM Water Tube FBC STEAM BOILER
Fuel: Coal, Lignite, Saw dust, wood chips, Agro Waste, Rice Husk, GN Shell, DOC
Steam Generation Capacity: 1 TPH up to 15 TPH
Working Pressure: Upto 21 Kg/cm² (g)
Calderas
Calderas
location: Germany
combustible: massive wood, chipboards, medium density fibreboard, parquet flooring waste, wood chips
calorific value: 1,7 - 4,7 kWh/kg
6120 - 16920 kJ/kg
installed firing power:
Grate:
granulate
injection:
15,0 MW
20,0 MW
main steam mass flow: 30 t/h
main steam pressure: 66 bar (abs)
main steam temperature: 455 °C
feed water temperature: 120 °C
Babcock & Wilcox Vølund A/S
Calderas
Caldera
Aspectos resaltantes: 
• El tambor opera como punto de mezclado entre vapor saturado y el agua 
(líquido comprimido) de alimentación. Además, funciona como separador 
de vapor y líquido saturados.
Tambor de la Caldera
Componentes internos
Componentes Generador de Vapor
La generación de vapor 
se realiza en 
instalaciones 
generadoras
comúnmente 
denominadas calderas Caldera (Hogar)
Economizadores y chimeneas
Sobrecalentadores y 
Recalentadores
Quemadores y alimentadores de 
aire
Condensadores
Bombas y tanques de 
alimentación
Tambores
-Cámara donde se efectúa la combustión. 
- Confina los productos de la combustión. 
- Resiste las altas temperaturas y las presiones utilizadas. 
- Dimensiones y geometría se adaptan a la velocidad de liberación del calor, al 
tipo de combustible y al método de combustión (combustión completa y 
eliminación de la ceniza)
-Difieren en tamaño y forma, en la localización y espaciamiento de los 
quemadores, en la disposición de la superficie absorbente de calor y en la 
distribución de los arcos y tolvas. 
- La forma de la llama y su longitud afectan la geometría de la radiación, y la 
velocidad y distribución de la absorción de calor por las superficies.
-Pared Refractaria
- Adecuadas y económicas para 
temperaturas moderadas.
-Pared enfriada por agua
- Los tubos que rodean el espacio que 
encierra los hornos contienen agua. Al absorber 
directamente el calor radiante, tan pronto como 
éste se forma, estos tubos evitan el efecto 
destructor de las altas temperaturas en el fogón.
Clasificación
Tipos de construcción de paredes del hogar enfriadas con agua. 
a) Pared de tubos tangentes; b) Pared de tubos con membrana 
soldada; c) Tachones planos soldados a los lados de los tubos; d) 
Pared de tubos por completo tachonados y cubiertos de refractario; 
e) Pared de tubos y losas; f) Tubos separados de la pared refractaria.
Tubos del Hogar
- Temperatura gases a la salida del hogar 
800 °C~ 900°C
- Sobrecalentamiento: producción de vapor a 
temperaturas mayores que la de saturación. El 
vapor sobrecalentado es menos abrasivo y 
corrosivo que el vapor saturado húmedo debido a 
que no tiene arrastre de humedad. 
- El uso de vapor sobrecalentado en turbinas 
primarias permite el desarrollo del trabajo dentro 
de la gama del sobrecalentamiento, antes de que 
se inicie la condensación, de esta manera seaumenta la eficiencia de la utilización del vapor.
- Sistema de tubos que se interponen al paso de 
los gases, a través del cual se hace circular el vapor 
saturado generado por la caldera, de modo que 
reciba una cantidad adicional de calor, que 
procede de los gases de combustión.
Fuente: Pérez, Elver A. “INCREMENTAR LA EFICIENCIA EN LA 
CALDERA N°6 DE CENTRAL EL PALMAR S.A.” Informe de pasantía. 
Marzo 2008Clasificación
-Sobrecalentador de convección
- Se instalan en el trayecto de los gases de combustión.
- No están expuestos a la radiación directa del fuego del hogar. 
- Posición determinada por temperatura requerida por el vapor, las 
características y el espacio disponible del generador de vapor.
Clasificación
-Sobrecalentador para calor radiante
- Se disponen para exposición directa de 
los gases del hogar siendo, en algunos diseños, parte 
de la cubierta de éste reemplazando una parte de las 
paredes de agua en el primer retorno. 
- Mantiene temperaturas de salida del 
horno más bajas. Contribuye a la eliminación de 
depósitos sobre las superficies de convección de los 
tubos.
- Sobrecalentadores combinados para calor 
radiante y de convección
Fuente: Pérez, Elver A. “INCREMENTAR LA 
EFICIENCIA EN LA CALDERA N°6 DE CENTRAL EL 
PALMAR S.A.” Informe de pasantía. Marzo 2008
- Intercambiador de calor que extrae calor de los gases de 
combustión. El calor recuperado 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: 
Mejora la eficiencia de la combustión
Ayuda a la estabilización de la ignición del combustible
Acelera la combustión
Permite una temperatura más elevada en el horno
Dos diseños de calentadores de aire 
regenerativos rotativos.
Fuente: Pérez, Elver A. “INCREMENTAR 
LA EFICIENCIA EN LA CALDERA N°6
DE CENTRAL EL PALMAR S.A.” Informe
de pasantía. Marzo 2008
Clasificación
De acuerdo con su principio de operación: 
- Recuperativos
Las partes metálicas estacionarias forman una frontera de separación entre los 
fluidos, el que se calienta y el que se enfría, y el calor pasa por conducción a 
través de la pared metálica.
- Regenerativos
Los elementos de transferencia de calor se mueven alternadamente a través de 
las corrientes de gas y aire, que pasan por ciclos sucesivos de calentamiento y 
enfriamiento y reciben la transferencia de calor por la capacidad de 
almacenamiento térmico de los elementos.
- Intercambiador de calor diseñado para la recuperación 
de la energía de desperdicio de los gases de escape, para 
retornarla, en forma de calor útil, al agua de 
alimentación, antes de que ésta se mezcle con el agua que 
circula en el generador de vapor. 
- La transferencia de calor es por convección. Con paso 
único y flujo forzado constan, por lo general, de tubos 
especiales de acero a los cuales se les suministra el agua 
de alimentación a una presión superior que la que existe 
en la sección de generación de vapor y con una velocidad 
correspondiente a la salida de vapor de la caldera. 
Economizador
Fuente: Pérez, Elver A. “INCREMENTAR 
LA EFICIENCIA EN LA CALDERA N°6
DE CENTRAL EL PALMAR S.A.” Informe
de pasantía. Marzo 2008
Recalentador
En construcción
Economizador
En construcción
	GENERADORES DE VAPOR
	01_03
	01_01
	Central de Generación Potencia
	01_02
	Fluido de Trabajo!
	Generador de Vapor o Caldera
	Generador de Vapor o Caldera
	Caldera de Tubo de Humo
	Caldera de Tubo de Agua
	Generador de Vapor o Caldera
	Generador de Vapor o Caldera
	Caldera Pirotubular
	Generador de vapor
	El Generador de Vapor
	Generador de vapor
	Caldera de Lecho Fluidizado
	El Generador de Vapor
	Desempeño Generador de vapor
	Desempeño Generador de vapor
	Desempeño Generador de vapor
	Desempeño Generador de vapor
	El camino del aire y los gases
	El camino del agua y del vapor
	Calderas
	Calderas
	Calderas
	Calderas
	Componentes Generador de Vapor
	Recalentador
	Economizador