Circuito de Aire y Humos PDF

# Centrales Térmicas, Circuito de Aire-Humos ## Circuito de Aire-Humos **Indice de Materias** **Circuito de Aire-Humos** 1. Función y disposición del circuito y sus componentes 2. Chimeneas y tiro * Efecto de la chimenea * Ejemplo de cálculo del efecto de la chimenea * La chimenea...

# Centrales Térmicas, Circuito de Aire-Humos ## Circuito de Aire-Humos **Indice de Materias** **Circuito de Aire-Humos** 1. Función y disposición del circuito y sus componentes 2. Chimeneas y tiro * Efecto de la chimenea * Ejemplo de cálculo del efecto de la chimenea * La chimenea * Caída de presión * Ejemplo del cálculo de las dimensiones de la chimenea * Factores externos que afectan a la altura de la chimenea * Diseño de la chimenea * Funcionamiento y mantenimiento de la chimenea 3. Ventiladores * Potencia de los ventiladores * Funcionamiento de los ventiladores * Características aerodinámicas * Ensayo de ventiladores * Control de un ventilador centrifugo * Accionamientos de los ventiladores * Márgenes de capacidad de los ventiladores * Ventiladores de tiro forzado * Ventiladores de tiro inducido * Ventiladores de recirculación de humos * Ventiladores de aire primario * Funcionamiento de los ventiladores * Ventiladores de flujo axial * Funcionamiento y características de control * Funcionamiento en paralelo * Características de desprendimiento * Prevención del desprendimiento * Disposición de los ventiladores * Desgaste de las paletas de los ventiladores de tiro inducido * Ventiladores de recirculación de humos * Ventiladores de aire primario * Funcionamiento de los ventiladores * Ventiladores de flujo axial 4. Calentadores de aire * Tipos de calentadores de aire * Calentadores de aire recuperativos tubulares * Calentadores de aire recuperativos de placas * Calentadores de aire regenerativos * Tipo Ljungstrom * Tipo Rothemuhle * Calentadores de aire mediante vapor o precalentadores **Indice 1** ## Circuito de Aire-Humos En un generador de vapor moderno, de alta capacidad, es necesario forzar la entrada de aire de combustión y también la extracción de los humos producidos en el hogar. Si esto se hiciera mediante tiro natural, la capacidad o potencia del generador, para un mismo volumen, sería muy baja. El sistema aire-humos constituye el conjunto de equipos y de conductos necesarios para cumplir esta misión. En la parte izquierda de la figura 1 se puede ver el sistema de aire. El aire atmosférico es aspirado por un sistema de ventiladores, llamados de tiro forzado. Estos ventiladores descargan a un conducto común pero con posibilidad de aislamiento. A continuación el aire pasa por los precalentadores de aire, cuya misión es calentarlo ligeramente para evitar que en el calentador que viene después se formen zonas excesivamente frías, que se convertirían en focos de condensaciones corrosivas, que producirían daños importantes en el calentador en un tiempo relativamente corto. Desde los precalentadores de aire, éste pasa a los calentadores, donde se calienta aprovechando el calor residual contenido en los humos, antes de que estos sean emitidos a la atmósfera. Desde los calentadores el aire va a las cajas de aire desde donde se inyecta en el hogar por los quemadores siendo el aire secundario de combustión. En el caso de generadores de vapor que queman combustibles sólidos (carbones), de la descarga de los ventiladores de tiro forzado, aspiran los ventiladores de aire primario, que tienen la misión de suministrar el aire necesario en los pulverizadores de carbón, que seca después arrastrará el carbón pulverizado hasta introducirlo en el hogar a través de los quemadores, constituyendo el aire primario. De la descarga de los ventiladores de aire primario, éste se divide en dos corrientes, una que llegará a los pulverizadores como aire frío y otra que pasa por un precalentador de aire primario, que tiene la misma misión que los precalentadores que ya vimos entre los ventiladores de tiro forzado y los calentadores de aire. Desde el precalentador de aire primario, éste pasa por el calentador de aire primario, que lo calienta con calor de los humos de combustión, pero alcanzando una temperatura superior que en los calentadores de aire secundario. De la salida del calentador de aire primario, este va hacia los pulverizadores de carbón. La llegada a los pulverizadores de dos corrientes de aire, una fría y otra caliente, es para que, variando las cantidades que se toman de cada una de ellas, se regule la temperatura que debe de tener la mezcla de aire-carbón a la salida de los pulverizadores. A la derecha de la figura 1 se muestra el circuito de humos. Los humos se generan por la combustión en el hogar, salen de éste atravesando distintos elementos del circuito agua-vapor en el que van cediendo su calor, como son las paredes divisorias, sobrecalentador secundario, sobrecalentador primario, recalentador y economizador. Después los humos relativamente fríos, pasan por los calentadores de aire, en donde ceden calor y de donde salen a una temperatura inferior a 150 °C. Una derivación de humos desde un punto anterior al economizador, donde la temperatura es relativamente alta, se utiliza para calentar el aire primario en el calentador correspondiente (ya se ha mencionado que el aire primario caliente necesita una temperatura superior a la que se consigue en los calentadores de aire secundario). Una vez atravesados los calentadores de aire, los humos pasan por el precipitador electrostático, donde se limpian de partículas sólidas (cenizas volantes) y de aquí van a los ventiladores de tiro inducido, que son los encargados de aspirarlos desde el hogar. De la descarga de los ventiladores de tiro inducido, los humos son enviados a la chimenea. ## Chimeneas y Tiro Para la combustión efectiva y completa de cualquier combustible, es necesario un caudal adecuado de aire y se generará una determinada cantidad de humos de humos. El flujo se crea y se mantiene por medio de la chimenea y de los ventiladores. O bien la chimenea por si sola o la combinación de chimenea y ventiladores producen la caída de presión necesaria para mantener el flujo. Se llama **TIRO** a la diferencia entre la presión en el lado exterior de la pared (atmosférica) y la presión estática en el lado interior de la pared del conducto o la chimenea por donde circulan los productos de la combustión en el hogar. El flujo de aire-humos a través de la caldera se puede conseguir de cuatro maneras denominadas, tiro forzado, tiro inducido, tiro equilibrado y tiro natural. Una caldera de **TIRO FORZADO** funciona con el hogar a una presión superior a la atmosférica. Un sistema de ventiladores situados a la entrada de la caldera, fuerza el aire hacia el interior con la presión suficiente para compensar la caída producida en el total del circuito de aire-humos, hasta la salida de la chimenea. Una caldera de **TIRO INDUCIDO** funciona con una presión en el hogar inferior a la presión atmosférica. La presión va disminuyendo desde la entrada pasando por el hogar y conductos de salida de humos, hasta un sistema de ventiladores, llamados ventiladores inducidos que aspiran del hogar y envían los productos de la combustión hacia la chimenea. Cuando la caldera es pequeña, el tiro se puede conseguir por el efecto de la chimenea, sin que sea necesario ningún tipo de ventilador y en tal caso la caldera se llama de **TIRO NATURAL**. En las calderas más modernas siempre se utiliza o un sistema de ventiladores en la salida de la caldera para mantener el flujo de aire-humos (son los tiro inducido) o un sistema de ventiladores para forzar la entrada de aire (son los de tiro forzado). Una caldera de **TIRO EQUILIBRADO** tiene un sistema de ventiladores de tiro forzado en la entrada de aire y un sistema de ventiladores de tiro inducido en la salida de humos. La presión estática es superior a la atmosférica en la descarga de los ventiladores de tiro forzado y va disminuyendo progresivamente a medida que se avanza en el circuito, alcanzando el valor de la presión atmosférica aproximadamente en las entradas en el hogar, y desde este punto, la presión estática baja progresivamente por debajo de la atmosférica hasta alcanzar los ventiladores de tiro inducido. Este sistema reduce la presión en el sistema y la tendencia a escapar los gases del hogar a través de mirillas, registros, etc, lo que ocurre cuando el hogar se encuentra presurizado. Este sistema también supone un ahorro de energía, ya que los ventiladores de tiro forzado tienen un flujo volumétrico pequeño debido a la baja temperatura del aire de entrada y a que la potencia de los ventilados depende del caudal volumétrico. Debido a estas razones prácticamente todas las calderas modernas son de tiro equilibrado. La **PÉRDIDA DE TIRO** es la reducción de la presión estática a lo largo del circuito aire-humos debida al rozamiento y otras causas. La relación entre presión estática, la presión dinámica (debida a la velocidad) y la presión total es la siguiente: $$P_{total} = P_{st} + \frac{1}{2} \rho C^2 $$ Esta fórmula procede de la aplicación del primer principio a corrientes fluidas suponiendo que no hay rozamiento y por lo tanto, al frenar el fluido hasta el reposo, toda la energía cinética se transforma en presión sin que haya aumento de temperatura, la energía interna (Ust = Utotal) no variará y el volumen especifico, v, lo hace en una cantidad despreciable. La ecuación es aplicable a líquidos y a gases con números de Mach bajos. Los símbolos representan lo siguiente: * $P_{total}$ = Presión total (obtenida llevando el fluido al estado de reposo) (N/m²) * $P_{st}$ = Presión estática (medida) (N/m²) * $P_{c}$ = Presión correspondiente a la velocidad (C²/2v) * C = Velocidad media (m/s) * v = Volumen específico (m³/kg) ## Efecto de la Chimenea El efecto de la chimenea es la diferencia de presión estática entre un punto de la base del conducto, situado en el exterior y otro de la misma altura situado en el interior, cuando el caudal de aire-humos es igual a cero. La causa de esta diferencia es la diferencia de densidad entre el aire y los humos calientes. El efecto de la chimenea es independiente del caudal de gases y no puede ser medida con dispositivos de medida de tiro, ya que estos medirían el efecto combinado de la chimenea más las pérdidas debidas al flujo. La intensidad y distribución de esta diferencia de presiones, depende de la altura, la disposición de los conductos y las temperaturas medias en el conducto y en el aire ambiente. El efecto de la chimenea se puede definir de la forma más general como: $$ΔP_{CH} = g\cdot Z \cdot (\rho_{H} - \rho_{a}) \cdot g\cdot \frac{Z}{1 + \frac{V_{HU}}{V_{a}}} $$ Donde: * $ΔP_{CH}$ = Gradiente de presión creado por la chimenea (N/m²) (Pa) * g = Aceleración de la gravedad (m/s²) * Z = Diferencia de cotas entre los puntos considerados * $\rho_{a}$ = Densidad del aire ambiente (kg/m³) * $\rho_{HU}$ = Densidad media de los humos (kg/m³) * $v_{a}$ = Volumen específico del aire ambiente (m³/kg) * $V_{HU}$ = Volumen específico de los humos (m³/kg). De (2) se obtiene el efecto de la chimenea (EF.CH.) por metro de altura (Pa/m) $$EF.CH. = ΔP_{CH} * \frac{g}{Z} * \frac{1}{v_{a} + \frac{1}{V_{HU}}}$$ Por conveniencia, la tabla 1 muestra el volumen específico del aire y de los humos en la atmósfera a 556 K (283 C). Considerando que el aire y los humos pueden ser tratados como gases ideales, es posible el cálculo del volumen específico en otras condiciones mediante la fórmula: $$v = v_{o} * (\frac{T}{T_{o}}) * (\frac{P_{o}}{P})$$ Donde, para utilizar los datos de la tabla 1. * v = Volumen específico buscado del gas (m³/kg). * $v_{o}$ = Volumen específico del gas a 556 Ky una atm(1,01325.10³ Pa) (m³/kg) * T = Temperatura del fluido cuyo volumen específico se busca (K) * $T_{o}$ = Temperatura de 556 K * $P_{o}$ = Presión de una atmósfera (1,01325.10³ Pa) * p = Presión del fluido cuyo volumen específico se busca (N/m² ó Pa). | Gas | m³/kg | |---|---| | Aire seco | 1,57 | | Aire con 0,013 kg de agua por kg de aire seco | 1,58 | | Humos con el 3% en peso de agua | 1,50 | | Humos con el 5% en peso de agua | 1,54 | | Humos con el 10% en peso de agua | 1,60 | ## Ejemplo del Cálculo del Efecto de la Chimenea La figura 3 ilustra el procedimiento utilizado para calcular el efecto de la chimenea. El efecto de la chimenea puede favorecer o restringir el caudal de humos a través de la unidad. Las tres zonas de paso de gas están a temperaturas diferentes y el ejemplo se considera al nivel del mar. Para facilitar el proceso se asume que el tiro en el punto D es nulo (presión igual a la atmosférica). El efecto de la chimenea siempre favorece con flujos ascendentes y restringe con flujos descendentes. Utilizando los valores de la tabla 3 para una temperatura ambiente de 26,85 °C (300 K) el efecto de chimenea de cada tramo, en Pa, es: | TEMPERATURA DEL AIRE, K | TEMPERATURA DE HUMOS | VOLUMEN ESPECIFICO HUMOS m³/kg | VOLUMEN ESPECIFICO DEL AIRE, m³/kg | 277.55 | 288.75 | 299.85 | 310.95 | |---|---|---|---|---|---|---|---| | C | K | m³/kg | 0.78872 | 0.82055 | 0.85209 | 0.88363 | | 121.1 | 394.25 | 1.08352 | 3.38543 | 2.90279 | 2.46004 | 2.04890 | | 260 | 533.15 | 1.46526 | 5.74515 | 5.26252 | 4.81976 | 4.40862 | | 537.8 | 810.95 | 2.22874 | 8.03955 | 7.55691 | 7.11416 | 6.70302 | | 815.5 | 1088.65 | 2.99195 | 9.16279 | 8.68016 | 8.23740 | 7.82626 | | 1093.6 | 1366.75 | 3.75626 | 9.83022 | 9.34758 | 8.90483 | 8.49369 | | 1371.1 | 1644.25 | 4.51891 | 10.27116 | 9.78853 | 9.34578 | 8.93464 | El efecto de la chimenea se considera en las siguientes condiciones: * Aire: 0,013 kg de agua por kg de aire seco; 0,855 m³/kg; 26,7 °C; 101,325 kPa * Humos: 0,04 kg de agua por kg de aire seco; 0,826 m³/kg; 26,7 °C; 101,325 kPa * Efecto en DC = (33,5 m).(2,46004 Pa/m) = 82.41 Pa * Efecto en CB = - (30,5 m).(7,11416 Pa/m) = - 216.98 Pa * Efecto en BA = (15,2 m).(8,23740 Pa/m) = 125.21 Pa Si se mide la presión en los puntos A, B, C y D de la figura 3, con caudal cero, se obtienen los siguientes valores: * Tiro en D = 0 Pa * Tiro en C = Tiro en D más el efecto DC = 0 +82.41 = 82.41 Pa * Tiro en B = Tiro en C más el efecto CB = 82,41 + (-216.98) = - 134,57 Pa * Tiro en A = Tiro en B más el efecto BA = - 134,57 + 125.21 = 9,36 Pa Nótese que, como el cálculo del efecto chimenea en este ejemplo se hace en el sentido contrario al flujo, el efecto de la chimenea se suma, en el cálculo del tiro, al existente en la boca de la chimenea. Si se calcula en la dirección del flujo, el efecto de la chimenea debe de restarse. El efecto neto de la chimenea desde D hasta A en la figura 3, es la suma de los tres efectos que es - 9,36. La diferencia de presiones estáticas en A es de -9,36 Pa. La altura de ventiladores o chimenea, debe de seleccionarse no solo para suministrar el tiro necesario para que sea posible compensar las caídas de presión a lo largo de la unidad, si no también para obtener un efecto positivo del sistema para que los humos salgan por la boca de la chimenea a una determinada velocidad. Esta velocidad debe de proceder de transformar altura estática en altura de velocidad ## La Chimenea Las calderas antiguas funcionaban con el tiro natural creado por la chimenea. Esto se sigue utilizando en la actualidad pero solamente en unidades de muy baja potencia. Sin embargo para grandes unidades equipadas con sobrecalentadores, economizadores y especialmente con calentadores de aire, no es práctico ni económico que la unidad funcione con el tiro creado únicamente por la chimenea. Estas unidades necesitan ventiladores para complementar el tiro inducido por la chimenea. El total de la unidad debe de estar presurizada por un ventilador de ## Ventiladores Un ventilador impulsa una cantidad de aire o gas suministrándole la energía suficiente para que la corriente avance, venciendo cualquier resistencia al flujo. Un ventilador es una máquina que consta de un rotor de paletas o impulsor, que comunica la energía al gas, y una carcasa que contiene y guía el gas manipulado. La potencia suministrada al gas por el ventilador depende del volumen manipulado por unidad de tiempo, de la presión diferencial a través del ventilador y del rendimiento. ## Potencia de los Ventiladores La potencia del ventilador se puede computar por la suministrada en los terminales del motor de accionamiento y también se puede calcular por métodos termodinámicos. La potencia consumida por un ventilador se puede expresar de la siguiente manera: $$Potencia = k * (\frac{ΔP*v}{η_{v}}) $$ Donde: * Potencia = Potencia comunicada al eje (kW) * $ΔP$ = Aumento de presión total desde la entrada a la salida de la máquina (kPa) * v = Caudal volumétrico (m³/kg) * $η_{v}$ = Rendimiento mecánico del ventilador (%) * k = Factor de compresibilidad (adimensional) En la tabla 4 se dan factores de compresibilidad y rangos aproximados de rendimiento que pueden ser utilizados en la ecuación (7). El término rendimiento del ventilador puede ser mal interpretado ya que se puede definir en varios sentidos. El rendimiento del ventilador puede ser considerado únicamente a través del rotor, a través de la carcasa, desde al entrada a la máquina a la salida sin tener en cuenta los efectos de entrada y salida o a través de la carcasa desde al entrada a la máquina a la salida teniendo en cuenta los efectos de entrada y salida. El vendedor del ventilador recomienda la mejor disposición de conductos de entrada y salida para que estas perdidas sean lo más bajas posible. Para seleccionar el motor apropiado para el ventilador, la potencia de entrada en el eje debe de ser calculada utilizando el rendimiento que tiene en cuenta ## Funcionamiento de los Ventiladores Las chimeneas dificilmente podrían producir el tiro necesario para las necesidades de una caldera moderna. Estas tienen unas caídas de presión tan grandes que hacen necesario la instalación de sistemas mecánicos generadores de tiro, para lo que se dispone de una gran variedad de ventiladores. Hay dos clases principales de ventiladores: 1. Los ventiladores de flujo centrífugo, en los cuales el aire, gas o humos, se aceleran radialmente del interior al exterior de un rotor formado por álabes, que descarga en una envolvente de forma de voluta, ver figura 6 y 7. 2. Los ventiladores de flujo axial, en los cuales el fluido es acelerado paralelamente al eje del ventilador, ver figura 8 y 9. El funcionamiento de los ventiladores se expresa mejor en forma gráfica mediante curvas, que dan la presión estática, potencia al freno y el rendimiento estático como una función del caudal volumétrico (figura 10). Como los ventiladores, para un caudal determinado, tienen un valor único de la presión estática y un valor único de la potencia, debe de haber equilibrio entre la presión estática y la resistencia del sistema. Cuando se varía la velocidad del ventilador también lo hacen los valores de las características, obteniéndose familias de curvas tales como las mostradas en la figura 11; aunque, de todos modos la forma de las curvas permanece invariable. Los cambios en el funcionamiento de los ventiladores, se pueden predecir mediante las Leyes de funcionamiento de los ventiladores: ## Control de un Ventilador Centrifugo Raramente, un ventilador puede trabajar a presión y caudal volumétrico constantes. Por tanto para cumplir con los requerimientos del sistema, se necesita algún medio para variar el caudal como pueden ser cortatiros o velocidad variable. El control mediante cortatiros introduce suficiente resistencia variable para alterar las condiciones de descarga en el sentido que sea necesario y ofrece las siguientes ventajas: 1. Coste de instalación muy bajo para todos los casos. 2. Fácil operación y adaptación al control automático. 3. Motor de accionamiento relativamente barato, se puede utilizar un simple motor de corriente alterna asíncrono. 4. El comportamiento continuo de este tipo de control, lo hace un método efectivo en todo el rango de operación del ventilador. Sin embargo, el control mediante cortatiros, produce un desperdicio de energía debido a que el exceso energía de presión se disipa mediante estrangulamiento. De todos modos, el control más económico de los ventiladores centrífugos es mediante cortatiros radiales en la entrada diseñados para funcionar tanto con aire sucio como con aire limpio. La experiencia de funcionamiento con los ventiladores de tiro forzado, de aire primario y de tiro inducido, ha probado que el control mediante cortatiros radiales en la entrada es fiable y reduce los costes de operación. También resulta un control estable, preciso y con una mínima histéresis. El control con cortatiros radiales en la entrada (figura 13) regula el caudal de entrada al ventilador y consume menos potencia a cargas parciales que si se utilizan cortatiros en la salida. Los cortatiros radiales en la entrada (figuras 6 y 7) producen en el gas un determinado grado de remolino en la dirección de giro del ventilador que ayuda al mismo a producir las condiciones de descarga necesarias a potencia proporcionalmente más baja. Aunque los cortatiros de entrada, como el caso de la figura 13, ofrecen un considerable ahorro energético, sobre el caso de cortatiros en la salida, cuando se trabaja de cargas parciales, donde realmente resultan efectivos es a potencias próximas a la nominal. El coste inicial es mayor que el de unos cortatiros normales situados en el conducto perpendicularmente al mismo, pero es menor que el de un control de velocidad variable. Los motores de velocidad variable son mejores desde el punto de vista de consumo energético, porque se reduce la velocidad (energía) a caudales más bajos. Sin embargo, los motores de velocidad variable requieren un coste inicial que puede no compensar los ahorros energéticos que se obtienen cuando se funciona a cargas parciales. El control de velocidad también produce alguna disminución en el rendimiento del motor, porque ningún motor de velocidad variable funciona en todo el rango posible, con un rendimiento tan alto como el que puede tener un motor asíncrono de velocidad constante. La disminución de rendimiento depende, sobre todo, del tipo de regulador de velocidad. Los variadores de velocidad normalmente utilizados suelen ser acoplamientos hidráulicos, motores de corriente continua de velocidad variable o turbinas de vapor de velocidad variable. ## Accionamientos de los Ventiladores Los accionamientos más utilizados para los ventiladores son motores eléctricos, porque son más baratos y tienen un rendimiento mayor que otros tipos de accionamiento. Para ventiladores de más de algún caballo de potencia, predominan los motores con rotor de jaula de ardilla. Este tipo de motores son relativamente baratos, fiables y de alto rendimiento en un amplio rango de potencias. Se utilizan frecuentemente grandes motores, con acoplamientos magnéticos o hidráulicos para las instalaciones de velocidad variable. Para algunos casos de velocidad variable, principalmente para tamaños pequeños, se utilizan motores de inducción con rotores devanados y anillos rozantes. Si se necesita un motor de corriente continua, normalmente se utiliza el motor paralelo. El accionamiento mediante turbina de vapor es más caro que el de motor asíncrono de jaula de ardilla, pero es más barato que cualquiera de los sistemas eléctricos de variación de velocidad, cuando la potencia supera los 37 kW (50 hp). Una turbina de vapor puede ser más económica que un motor eléctrico en plantas donde hay exceso de vapor por necesidades del proceso, o en grandes instalaciones donde se utiliza vapor para calentamiento del agua de alimentación. ## Márgenes de Capacidad de los Ventiladores Para tener la seguridad de que los ventiladores no vayan a limitar la capacidad de la caldera, es necesario añadir márgenes de seguridad a la potencia calculada o neta necesaria. Estos márgenes deben de cubrir las condiciones de operación que no puedan ser específicamente evaluadas. Por ejemplo, la variación el las características de las cenizas del combustible o el funcionamiento inusual con superficies de intercambio de calor sucias con escoria. En tales casos, la unidad necesita más tiro. Las fugas en los calentadores de aire, normalmente, a lo largo de una campaña, van aumentando debido al desgaste de los cierres, por lo que para mantener el aporte de aire necesario y la evacuación de humos más aire fugado, la potencia consumida por los ventiladores también aumenta a lo largo de una campaña. Para un rápido incremento de carga o una sobrecarga momentánea, siempre se demanda más potencia de los ventiladores. Los márgenes para cubrir estas emergencias incluyen: 1) 15 a 20% de incremento en peso del caudal de aire y de humos. 2) 20 a 30% de incremento en la altura neta. 3) 14 °C de incremento en la temperatura de entrada a los ventiladores. ## Ventiladores de Tiro Forzado Las calderas que funcionan con ventiladores de tiro forzado y ventiladores de tiro inducido, utilizan los de tiro forzado para inyectar el aire, a través del sistema de aire de combustión, al hogar (figura 1). Las ventiladores deben de tener una presión de descarga lo suficientemente grande para igualar la resistencia total de los conductos de aire, calentadores de aire, quemadores y cualquier otra resistencia entre los ventiladores y la descarga en el hogar. Esto hace del hogar el punto de tiro equilibrado. El volumen de descarga de los ventiladores forzados, debe de cubrir el total de necesidades de aire de combustión más las fugas de los calentadores de aire. En la mayoría de las instalaciones, se obtiene mayor fiabilidad repartiendo las necesidades totales entre dos ventiladores que funcionan en paralelo. Si un ventilador queda fuera de servicio, el otro normalmente puede mantener el 60% de la potencia nominal de la caldera, dependiendo del dimensionado elegido. Para establecer las características necesarias para los ventiladores de tiro forzado, la resistencia del sistema desde el ventilador hasta el hogar, se calcula mediante el peso de aire necesario para la combustión más las pérdidas esperadas desde el lado de aire al lado de humos. La práctica normal es basar los cálculos en una temperatura del aire entrando a los ventiladores de 27 °C. Los resultados se ajustan para las especificaciones de ensayo del bloque mediante los márgenes dados anteriormente. La selección de los ventiladores de tiro forzado se realiza tomando en consideración los siguientes requerimientos: * Fiabilidad. Las calderas deben de funcionar de forma continua durante periodos de tiempo muy prolongados (se pueden alcanzar los 18 meses) sin paradas para reparaciones o mantenimiento. Por tanto los ventiladores deben de tener un rotor muy robusto lo mismo que la carcasa y los cojinetes. El rotor debe de estar bien equilibrado y los álabes deben de tener una disposición de paletas, con perfiles tales que no propicien la acumulación de polvo, que puede ser la causa de desequilibrio. * Rendimiento. Es necesario alto rendimiento en todo el rango de operación requerido por el funcionamiento de la caldera. * Estabilidad. La presión de descarga del ventilador debe de variar de forma uniforme dentro de todo el rango de funcionamiento. Esto facilita el control de la caldera y asegura unas perturbaciones mínimas del caudal de aire cuando los ajustes de los quemadores provoquen variaciones en la resistencia del sistema. Cuando funcionan en paralelo dos o más ventiladores, las características de presión en la descarga deben de tener formas similares a las de paletas radiales o a las de álabes curvaos hacia atrás, con objeto de repartir lo mas igual posible la potencia cuando se trabaja cerca del límite de funcionamiento estable. * Sobrecarga. Es deseable para los motores de accionamiento de los ventiladores, que tengan una característica que autolimite la potencia, de tal manera que el motor no se pueda sobrecargar. Esto significa que, cerca del punto de funcionamiento, la potencia alcanzará un máximo y luego disminuirá (figura 11). ## Ventiladores de Tiro Inducido Las unidades diseñadas para funcionar con hogares de tiro equilibrado, o sin ventiladores de tiro forzado, necesitan ventiladores de tiro inducido para extraer los productos gaseosos de la combustión. El peso de gas que se utiliza para calcular los ventiladores de tiro inducido, es el peso de los productos gaseosos de la combustión a la potencia máxima de la caldera, más las fugas de entrada a la caldera a través del cerramiento, más las fugas de los calentadores de aire desde el lado de aire al lado de humos. La temperatura neta de los humos, se calcula para la potencia máxima de la caldera. Las condiciones de ensayo de los ventiladores de tiro inducido se determinan aplicando unos márgenes sobre los valores calculados, similares a los utilizados para los ventiladores de tiro forzado. Un ventilador de tiro inducido básicamente tiene las misma exigencias que un ventilador de tiro forzado, excepto por el hecho de que manipula gas a una temperatura más alta y que los gases pueden contener partículas sólidas, erosivas, en suspensión. Debe de evitarse un mantenimiento, debido a la erosión, que resulte muy caro, para lo cual se recubre la carcasa e incluso los álabes del rotor con forros de desgaste reemplazables. Debido a su baja resistencia a la erosión, los álabes deben de ser tratados adecuadamente cuando se vayan a utilizar en ventiladores de tiro inducido. Los álabes son muy propensos a la erosión por el polvo y, en las partes cóncavas, se puede depositar polvo que provoca desequilibrado el rotor, lo mismo que puede producir el desgaste de las paletas. Los cojinetes, generalmente refrigerados por agua, llevan escudos de radiación sobre el eje entre el ventilador y el cojinete par evitar sobrecalentamiento. ## Ventiladores de Recirculación de Humos Los ventiladores de recirculación de humos se utilizan para controlar la temperatura del vapor, la absorción de calor en el hogar y la formación de escoria en superficies de trasmisión de calor. Se localizan generalmente en la salida del economizador, para extraer humos e inyectarlos en el hogar en una localización que depende del efecto buscado. Estos múltiples propósitos son también consideraciones importantes en el apropiado dimensionado y especificación de los ventiladores de recirculación de humos. La selección puede ser determinada por la alta presión estática necesaria para controlar la temperatura del hogar a plena potencia de la caldera, o por el gran volumen necesario, a carga parcial, para controlar la temperatura del vapor. Incluso si los ventiladores de recirculación de humos, tienen que hacer frente a los mismos requerimientos que los ventiladores de tiro inducido, hay otros factores que también deben de ser tenidos en cuenta. Los ventiladores de recirculación de humos trabajan a temperaturas más altas y en servicio intermitente, lo que puede provocar contraste térmico y como consecuencia desequilibrio. Cuando el ventilador no está en servicio, para que no se produzca el retroceso de humos desde el hogar, deben de existir cortatiros de aislamiento de alta hermeticidad al mismo tiempo que un sistema de cierre de aire y cuando los ventiladores sean de gran tamaño deben de estar provistos de virador, que lo mantenga girando a baja velocidad para evitar la deformación permanente. ## Ventiladores de Aire Primario Los ventiladores de aire primario, en las calderas que queman carbón pulverizado, suministran el aire necesario para secar el carbón y transportarlo hasta el hogar. Los ventiladores de aire primario frío, se diseñan para las mismas prestaciones que los ventiladores de tiro forzado. Los ventiladores de aire primario pueden estar localizados antes de los calentadores de aire (sistema de aire primario frío) o después de los calentadores de aire (sistemas de aire primario caliente). Los sistemas de aire primario frío, tienen la ventaja de trabajar con un caudal volumétrico más bajo para el mismo flujo másico. Este método presuriza el lado de aire de los calentadores de aire y hace que las fugas hacia el lado de humos sean mayores. Los sistemas de aire primario caliente evitan este problema, pero necesitan ventiladores de más potencia porque esta es proporcional al caudal volumétrico. ## Funcionamiento de los Ventiladores Los ventiladores requieren inspecciones frecuentes para detectar y corregir las irregularidades que pueden producir problemas. Sin embargo deben de soportar largos periodos de operación continua. Todo esto se asegura mediante una lubricación apropiada y refrigeración del eje y cojinetes. Un ventilador debe de estar bien equilibrado, tanto estática como dinámicamente, para asegurar en funcionamiento "suave". El equilibrado debe de ser comprobado después de cada parada para mantenimiento. Los ventiladores que manejan humos con partículas abrasivas están sometidos a erosión. Para reducir tal desgaste deben de utilizarse forros o materiales resistentes a la abrasión. En algunos casos se aplican recargues de soldadura para rellenar los desgastes. ## Ventiladores de Flujo Axial Una forma de reducir el consumo energético de los ventiladores es instalar ventiladores axiales con paletas de inclinación variable. En la figura 16 se compara la potencia consumida por los ventiladores de tiro forzado, los ventiladores de aire primario y los ventiladores de tiro inducido para una unidad de 500 MW de carbón pulverizado utilizando ventiladores de flujo axial de paletas de inclinación variable y utilizando ventiladores centrífugos de paletas curvadas hacia atrás con cortatiros radiales en la entrada. A la potencia del 100% de la nominal el ahorro energético es del orden de 4000 kW que representa el 7% del consumo total de servicios auxiliares. ## Funcionamiento y Caracteristicas de Control En la figura 15 se muestran las características de funcionamiento de un ventilador de flujo axial de paletas de inclinación variable. Las principales circunstancias que se pueden observar de la figura son las siguientes: 1. Las zonas de rendimiento constante son paralelas a la linea de resistencia de la caldera, resultando un rendimiento alto para un amplio rango de potencias de la caldera. 2. Hay una zona bastante amplia, tanto hacia arriba como hacia abajo, del área de