Un precalentador de aire es cualquier dispositivo diseñado para calentar aire antes de otro proceso (por ejemplo, combustión en una caldera). Con el objetivo principal de aumentar la eficiencia térmica del proceso. Pueden usarse solos o para reemplazar un sistema de calor recuperativo o para reemplazar un bobina 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, como al precalentador de aire Ljungström se le ha atribuido un ahorro mundial de combustible estimado en 4.960.000.000 de toneladas de petróleo , "pocos inventos han tenido tanto éxito en ahorrar combustible como el Ljungström Air Precalentador", marcado como el 44º Monumento Histórico Internacional de Ingeniería Mecánica por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos . [6]
El propósito del precalentador de aire es recuperar el calor de los gases de combustión de la caldera , lo que aumenta la eficiencia térmica de la caldera al reducir el calor útil perdido en los gases de combustión. Como consecuencia, los gases de combustión también se transportan a la chimenea de gases de combustión (o chimenea ) a una temperatura más baja, lo que permite un diseño simplificado del sistema de transporte y de la chimenea de gases de combustión. También permite controlar la temperatura de los gases que salen de la chimenea (para cumplir con las normas de emisiones, por ejemplo). Se instala entre el economizador y la chimenea.
Hay dos tipos de precalentadores de aire para 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 utilizado en la fabricación de hierro o vidrio.
Los precalentadores tubulares consisten en haces de tubos rectos que pasan a través del conducto de salida de la caldera y se abren en cada extremo fuera del conducto. Dentro de los conductos, los gases calientes del horno pasan alrededor de los tubos del precalentador, transfiriendo calor de los gases de escape al aire dentro del precalentador. Un ventilador impulsa el aire ambiente a través de un conducto en un extremo de los tubos del precalentador y, en el otro extremo, el aire calentado desde el interior de los tubos emerge a otro conjunto de conductos, que lo lleva al horno de la caldera para su combustión.
Los conductos tubulares del precalentador para aire frío y caliente requieren más espacio y soportes estructurales que un diseño de precalentador giratorio. Además, debido a los gases de combustión abrasivos cargados de polvo, los tubos fuera de los conductos se desgastan más rápido en el lado que da a la corriente de gas. Se han realizado muchos avances para eliminar 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) nuevos están incorporando actualmente calentadores de aire tubulares que ofrecen una ventaja con respecto a las partes móviles de tipo rotativo.
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. Sin embargo, con diferencia el factor más importante en la corrosión por punto de rocío es la temperatura del metal de los tubos. Si la temperatura del metal dentro de los tubos cae por debajo de la temperatura de saturación del ácido, generalmente entre 190 °F (88 °C) y 230 °F (110 °C), pero a veces a temperaturas tan altas como 260 °F (127 °C) , entonces el riesgo de daños por corrosión por punto de rocío se vuelve considerable.
Hay dos tipos de precalentadores de aire regenerativos : los precalentadores de aire regenerativos de placa giratoria (RAPH) y los precalentadores de aire regenerativos de placa estacionaria (Rothemuhle). [1] [2] [3] [10]
El diseño de placa giratoria (RAPH) [2] consiste en un elemento de placa giratoria central instalado dentro de una carcasa que se divide en dos ( tipo bisector ), tres ( tipo trisector ) o cuatro ( tipo cuádruple ). sectores que contienen sellos alrededor del elemento. Los sellos permiten que el elemento gire a través de todos los sectores, pero mantienen al mínimo las fugas de gas entre los sectores y al mismo tiempo proporcionan rutas separadas para el gas, el aire y los gases de combustión a través de cada sector.
Los tipos trisectoriales son los más comunes en las instalaciones modernas de generación de energía. [12] En el diseño de tres sectores, el sector más grande (que generalmente abarca aproximadamente la mitad de la sección transversal de la carcasa) está conectado a la salida de gas caliente de la caldera. Los gases de escape calientes fluyen sobre el elemento central, transfiriendo parte de su calor al elemento y luego se conducen para su posterior tratamiento en colectores de polvo y otros equipos antes de ser expulsados de la chimenea de gases de combustión . El segundo sector, más pequeño, recibe aire ambiente mediante un ventilador , que pasa sobre el elemento calentado a medida que gira hacia el sector, y se calienta antes de llevarlo al horno de la caldera para su 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 las calderas de carbón. Así, 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 aire primario para la combustión.
El rotor en sí es el medio de transferencia de calor en este sistema y generalmente está compuesto por algún tipo de estructura de acero y/o cerámica . Gira bastante lentamente (alrededor de 1 a 2 RPM ) para permitir una transferencia de calor óptima, primero desde los gases de escape calientes al elemento y luego, a medida que gira, desde el elemento al aire más frío en los otros sectores.
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 expansión necesarias en los conductos.
El rotor vertical está soportado sobre cojinetes de empuje en el extremo inferior y tiene lubricación por baño de aceite, enfriado por agua que circula en bobinas dentro del baño de aceite. Esta disposición sirve para enfriar el extremo inferior del eje, ya que este extremo del rotor vertical está en el extremo caliente del conducto. El extremo superior del rotor tiene un rodamiento de rodillos simple para mantener el eje en posición vertical.
El rotor está construido sobre un eje vertical con soportes radiales y jaulas para mantener las cestas en su posición. También se proporcionan placas de sellado radiales y circunferenciales para evitar fugas de gases o aire entre los sectores o entre el conducto y la carcasa mientras está en rotación.
Para la limpieza en línea de los depósitos de las cestas se proporcionan chorros de vapor de manera que el polvo y las cenizas expulsadas se recogen en la tolva de cenizas inferior del precalentador de aire. Esta tolva de polvo está conectada para su vaciado junto con las tolvas de polvo principales de los recolectores de polvo.
El rotor se hace girar mediante un motor y engranajes impulsados por aire, y es necesario arrancarlo antes de encender la caldera y también mantenerlo en rotación durante algún tiempo después de que se detiene la caldera, para evitar una expansión y contracción desigual que provoque deformaciones o grietas en el rotor. El aire de la estación generalmente es totalmente seco (se requiere aire seco para la instrumentación), por lo que el aire utilizado para impulsar el rotor se inyecta con aceite para lubricar el motor neumático.
Se proporcionan ventanas de inspección protegidas de seguridad para ver el funcionamiento interno del precalentador en todas las condiciones de funcionamiento.
Las cestas se encuentran en los alojamientos sectoriales previstos en el rotor y son renovables. 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.
Los gases de combustión de la caldera contienen numerosas partículas de polvo (debido al alto contenido de cenizas) que no contribuyen a la combustión, como la sílice, que provoca el desgaste abrasivo de las cestas, pudiendo contener también gases corrosivos según la composición del combustible. Por ejemplo, los carbones indios generalmente producen altos niveles de ceniza y sílice en los gases de combustión. Por lo tanto, el desgaste de las cestas es generalmente mayor que el de otros combustibles de combustión más limpia.
En este RAPH, los gases corrosivos y cargados de polvo de la caldera tienen que pasar entre los elementos de las cestas del precalentador de aire. Los elementos están formados por placas corrugadas en zigzag prensadas en una cesta de acero que proporciona suficiente espacio anular entre ellas para que pase el gas. Estas placas están corrugadas para brindar más superficie para absorber el calor y también para darle rigidez para apilarlas en las cestas. Por lo tanto, se requieren reemplazos frecuentes y siempre se mantienen cestas nuevas listas. Al principio se utilizaba acero corten para los elementos. Hoy en día, debido al avance tecnológico, muchos fabricantes pueden utilizar sus propias patentes. Algunos fabricantes suministran diferentes materiales para el uso de los elementos para alargar la vida útil de las cestas.
En determinados casos los depósitos no quemados pueden formarse en los elementos del precalentador de aire provocando que estos se incendien durante el funcionamiento normal de la caldera, dando lugar a explosiones en el interior del precalentador de aire. En ocasiones, se pueden detectar explosiones leves en la sala de control por variaciones en las temperaturas de entrada y salida del aire de combustión.
Los elementos de la placa calefactora en este tipo de precalentador de aire regenerativo también están instalados en una carcasa, pero los elementos de la placa calefactora son estacionarios en lugar de girar. En lugar de ello, los conductos de aire en el precalentador se giran para exponer alternativamente secciones de los elementos de la placa calefactora al aire frío que fluye ascendente. [1] [2] [3]
Como se indica en el dibujo adyacente, hay conductos de aire de entrada giratorios en la parte inferior de las placas estacionarias similares a los conductos de aire de salida giratorios en la parte superior de las placas estacionarias. [13]
Los precalentadores de aire regenerativos de placas estacionarias también se conocen como precalentadores Rothemuhle y son fabricados desde hace más de 25 años por Balke-Dürr GmbH de Ratingen , Alemania .
Un regenerador consiste en un mosaico de ladrillos: ladrillos colocados con espacios equivalentes al ancho de un ladrillo entre ellos, de modo que el aire pueda fluir con relativa facilidad a través del mosaico. La idea es que a medida que los gases de escape calientes fluyen a través del mosaico, ceden calor a los ladrillos. Luego se invierte el flujo de aire, de modo que los ladrillos calientes calientan el aire de combustión y el combustible entrantes. Para un horno de fusión de vidrio, un regenerador se encuentra a cada lado del horno, formando a menudo un todo integral. Para un alto horno , los regeneradores (comúnmente llamados estufas Cowper ) están separados del horno. Un horno necesita no menos de dos estufas, pero puede tener tres. Una de las estufas funciona con gas, recibe gases calientes de la parte superior del horno y calienta el interior del horno, mientras que la otra funciona con chorro, recibe aire frío de los ventiladores, lo calienta y lo pasa al alto horno.