17 febrero 2010

Diseño de Generadores de Vapor con Recuperación de Calor

Un Generador de Vapor con Recuperación de Calor (HRSG) obtiene calor de un gas caliente. En este artículo, revisamos en detalle el proceso de diseño de estos equipos.

Alcance

Los HRSG se fabrican en numerosas formas, diseños, configuracionet, etc. Para simplificar nuestro artículo nos refiriremos a las unidades de recuperación de calor de tipo acuatubular (en contraposición a las pirotubulares). En estos equipos el fluido de proceso, es decir, el vapor o agua está en el interior del tubo y los productos de la combustión en el esterior del tubo. Los productos de la combustión están normalmente cerca de la presión atmosférica.
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Conceptos básicos de diseño
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En el diseño de un HRSG, el primer paso es normalmente realizar un balance de calor teórico que nos dará la relación entre el lado del tubo y el lado de la camisa. Antes de computar este equilibrio térmico, debemos decidir los componentes del lado del tubo que conformarán la unidad HRSG. Si bien estos componentes pueden incluir otros servicios de intercambiador de calor, en este momento solamente consideramos tres tipos de serpentín presentes, evaporador, sobrecalentador y economizador.

Sección del evaporador

El componente más importante de este equipo es la sección del evaporador, donde una sección puede consistir en uno o más serpentines. En estos serpentines, el agua de efluentes que pasa a través de los tubos se calienta al punto de saturación por la presión que está fluyendo.

Sección del recalentador

La sección del recalentador del HRSG se usa para secar el vapor saturado que se separa en el colector de vapor. En algunas unidades pueden sólo calentarse un poco por encima del punto de saturación donde en otras unidades puede recalentarse a una temperatura significativa para un almacenaje de energía adicional. La sección del sobrecalentador normalmente se localiza en el chorro de gas más caliente, frente al evaporador.

Sección del economizador

La sección del economizador, a veces llamado precalentador, se utiliza para precalentar el agua de alimentación que se introduce en el sistema para reemplazar el vapor que se extrae del sistema vía el recalentador o salida de vapor y la pérdida de agua en el purgado. Normalmente se localiza en el gas más frío aguas abajo del evaporador. Ya que las temperaturas de entrada y salida del evaporador están ambas cerca de la temperatura de saturación para la presión del sistema, la cantidad de calor que puede retirarse del gas de los humos queda limitada debido a una aproximación al evaporador conocida como pinch.

Tipos y configuraciones de HRSG

Una consideración muy importante es el tipo de sección del evaporador, ya que generalmente define la configuración total de la unidad de HRSG. La configuración del evaporador es conocido como "tipo", y generalmente encontramos cinco tipos.
  • Configuración del evaporador con bastidor en D (primera figura).
  • Configuración del evaporador con bastidor en O.
  • Configuración del evaporador con bastidor en A.
  • Configuración del evaporador con bastidor en I.
  • Configuración del evaporador con tubo horizontal.
Preparación del esquema de flujo para el HRSG.

Después de estudiar las distintas opciones de evaporadores para la unidad, el siguiente paso importante en el diseño es decidir la configuración de los serpentines en la unidad. Por supuesto, si hay sólo un ecaporador presente, el esquema es muy simple, pero si, como en la mayoría de los casos, hay más de un serpentín, deben hacerse consideraciones adicionales a su posición en el chorro de gas.

Obviamente, el mejor lugar para poner el serpentín de temperatura más alto, será la parte más caliente del chorro de gas. Ya que, es donde hay la menor cantidad de superficie para intercambiar el calor, se permitirá una recuperación de calor por pasos para un máximo intercambio de calor. Por supuesto que las unidades HRSG modernas no son siempre tan simples. Los componentes pueden colocarse en muchas configuraciones para alcanzar los resultados deseados. El rango de disposiciones en que los serpentines pueden colocarse, solamente es limitado por la imaginación de los usuarios y las restricciones de temperaturas.
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Equilibrio de calor .
Diseño del Pinch del Evaporador

El pinch del evaporador, es el que limita la cantidad decalor que puede recuperarse en el diseño del HRSG. Para muchos propósitos generales, tales como los encontrados en refinerías y plantas químicas, un pinch de 50 ºF proporciona un diseño económico. Pero en mercados más competitivos de ciclo combiando o plantas de co-generación, no es raro encontrar un pinch por debajo de 30 ºF.

Otros procesos

Otras temperaturas de proceso que deben estudiarse son el agua del economizador, derecalentamiento de vapor recalentado y requerimientos de sangrado.

Transferencia de calor

Otros cálculos adicionales requeridos en el proceso son:
  • Selección y materiales de los tubos.
  • Selección y materiales de superficie extendida.
  • Radiación, no-luminoso, indirecto.
  • Tubos desnudos, transferencia de convección.
  • Tubos de aletas, transferencia de convección.
  • Tubos curvos, transferencia de convección.
  • Radiación reflexiva, vigas cortas.
  • Conductividad térmica de metales.
  • Cálculos de la temperatura de las paredes del tubo.
Procesos

Otros cálculos son los relativos al proceso y son los siguientes:
  • Propiedades térmicas de agua y vapor.
  • Propiedades térmicas del gas de los humos.
  • Combustión, ignición suplementaria.
  • Coeficientes de transferencia de calor.
  • Caída de presión en el interior de los tubos.
  • Caída de presión del lado del gas a través de los tubos.
  • Pérdidas de presión en conductos.
  • Punto de rocío ácido del gas de los humos.
  • NOx y otras consideraciones.
Circulación

La generación de vapor en tubos de calderas se basan en el hervor "nucleate boiling". Esto significa que se generan múltiples burbujas en la pared interior del tubo que queda "húmedo". Si la generación de vapor en cualquir porción del tubo es excesiva, resulta la ebullición de film, que incrementa la resistencia a la transferencia de calor y eleva la temperatura de los tubos.

La presión de operación del evaporador también tiene una relación directa con la circulación requerida para alcanzar el "nucleate boiling". Ya que a baja presión, el volumen específico del vapor es mayor que a altas presiones, el ratio de circulación debe ser mayor a presión más baja que más alta.
Otros cálculos de circulación que deben hacerse en el proceso son:
  • Circulación forzada:
  • Circulación termosifónica.
  • Dimensionado de circuitos de elevación, bajada.
  • Dimensionado de colectores y depósitos.
cortesía de PGTHERMAL, hemos explicado los principios básicos de diseño. En el artículo citado puede encontrarse una explicación detallada del diseño y algunas herramientas de cálculo gratuitas necesarias para el diseño.
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