Método de limpieza aplicado a los Precalentadores de Aire regenerativo Ljungström

Resumen

El presente artículo realiza un estudio sobre los precalentadores de aire regenerativo Ljungstrom los cuales se encuentran instalados en las plantas termoeléctricas y se utiliza para aprovechar el poder calorífico que contienen los humos de la combustión de la caldera estos presenta inconvenientes operacionales el principal es la obstrucción de las canastas es debido a las partículas contenida en los humos como cenizas y hollín esto genera un aumento en el consumo de combustible Fuel-oíl o gas natural por esto se estudian los métodos de limpieza para seleccionar el más eficiente la importancia de la limpieza se basa en una buena efectividad térmica que se produce si hay una buena transferencia de calor y el mantenimiento apropiado garantiza un mayor tiempo útil de las canastas por los procesos actuales en el mundo para la limpieza efectiva en corto tiempo y generando un ahorro en combustible.

PALABRAS CLAVES: precalentador, aire, Ljungstrom, regenerativo, rotativo.

ABSTRACT

This article is a study of regenerative Ljungstrom air preheaters which are installed in power plants and is used to tap the calorific contain the fumes from the combustion of the boiler operating these drawbacks is the main obstruction baskets due to the particles contained in the flue ash and soot as it is generated by an increase in fuel consumption fuel oil or natural gas by this study cleaning methods to select the more efficient the importance of cleanings is based in a good thermal efficiency occurs if there is a good heat transfer and proper maintenance ensures a longer shelf baskets, generating a saving in fuel.

KEY WORDS: Preheater, air, Ljungstrom, regenerative, rotary.

Introducción

En la industria eléctrica con la finalidad de mantener una rendimiento térmico eficiente se utiliza el aprovechamiento energético y uno de estos es la energía calórica latente contenida en los gases provenientes de la combustión de la caldera, los gases al salir de esta pasan por el precalentador de aire regenerativo con el objetivo de aumentar la temperatura del aire que se envía al horno y se mezcla con el combustible. Aprovechando así parte del calor contenido en los humos antes que éstos lleguen a la chimenea. Por ello la cantidad de combustible necesaria para producir energía se reduce y la eficiencia de la caldera se mejora entre un 5 y un 10 %. El uso del aire precalentado para la combustión acelera la ignición y fomenta una combustión rápida y completa del combustible[1, 2].

Los elementos que producen este intercambio térmico dentro de los precalentadores de aire regenerativo rotativos se llaman canastas o también llamados rueda de calor [3, 4], para los cuales han realizado diversos aportes científicos sobre la transferencia de calor de estos elementos para su rendimiento térmico que en este tipo de intercambiador de calor se le llama eficacia térmica[5], esta indica al eficiencia de la transferencia de calor en este precalentador de aire. El contacto de los humos provenientes de la combustión con las canastas al tiempo se genera taponamiento lo cual disminuye el rendimiento de la planta y genera una parada en la generación de vapor por aumento de presión en el hogar de la caldera[6, 7], por ello se propone un método para la limpieza de los precalentadores de aire regenerativo Ljungstrom.

Estado de la tecnología del precalentadores de aire regenerativo

Este intercambiador de calor aire regenerativo llamado precalentador de aire generativo rotativo desde su invención, se han realizado diversos experimentos y estudios de los cuales hay un gran número de aportes que han sido llevadas por Skiepko el cual estableció un método para el cálculo de los flujos de masas de gas a través de los sellos[8], como también el efecto de la reducción de los espacios libres de sellado en las fugas en un intercambiador de calor rotativos[9] y analizó la influencia de fugas en el rendimiento de un precalentador de aire rotativo[10], otro aporte fue el Kern quien elaboró un modelo para el cálculo de la transferencia de calor para ciertos tipos de intercambiadores de calor rotativos[11], un estudio sobre la transferencia de calor fue el que desarrolló Shah una correlación empírica de la efectividad de precalentador rotatorio, estudiando los efectos de la conducción del calor longitudinales en ella[12]. Sobre este tema Van Den Bulck y col, establecieron un modelo NUT-efectividad, se considera la incorporación de las correlaciones de la efectividad y el rendimiento óptimo, lo cual permitió cálculos rápidos y con buena aproximación para la efectividad del regenerador, otras contribuciones realizada por Büyükalaca fue el análisis numérico, analítico y experimental para investigar la influencia de la velocidad de rotación[13], también Ghodsipour y Sadrameli estudiaron la importancia del ahorro energía, no sólo en términos de consumo de combustible, sino también para proteger el medio ambiente[3], como otro aporte es el análisis térmico de un regenerador rotativo, en el que se investiga numéricamente el proceso de transferencia de calor [14] y la deformación de la tensión térmica como una desventaja inherente de funcionamiento rotativo de los precalentadores de aire, dando como resultado la fuga de gases y una disminución en la efectividad del sistema de precalentado[4].

En los métodos para la limpieza de los precalentadores de aire regenerativo rotativo las contribuciones científicas realizadas se tiene un método generalizado para establecer un parámetro de diagnostico a través del análisis de la limpieza con vapor de los calentadores de aire regenerativo de las centrales termoeléctricas[15], sin embargo la gran mayoría de los aportes han estado más enfocadas hacia la parte comercial debido que la información se encuentran en patentes donde han dado un aporte y modificado el sistema de limpieza que tienen los precalentadores de aire para hacer más eficiente y disminuir el tiempo de ejecución [6, 16-20] otra parte la brinda las empresa que ofrecen este servicio a la industria eléctrica [12, 21-32], realizan la limpieza de las canastas en un tiempo de 48 o más horas con aplicaciones de automáticas.

Fundamentos de los precalentadores de aire regenerativo rotativo.

Los precalentadores de aire son intercambiadores de calor de tipo regenerativo con movimiento del fluido a contracorriente o contra flujo, se según [33] se clasifican en dos tipos de precalentadores de aire regenerativos conocidos por el nombre de sus respectivos creadores: Rothemühle y Ljungström. Ambos constan de una cesta que se expone alternativamente al flujo de aire caliente y al flujo de aire frio, en el Rothemühle la cesta es fija y se mueven los conductos de aire y en el Ljungstrom es la cesta quien gira exponiéndose a uno y otro flujo. Es decir, en el Rothemühle, aire se calienta a medida que fluye a través de la canasta, que ha obtenido la energía térmica de los gases de escape como se muestra en la figura 1.1 en Ljungstrom, figura 1.2, la parte de la cesta expuesta a los gases calientes absorbe calor y luego se lo cede al aire frio.

El Ljungstrom fue inventado en la década de 1920. En contraste con los calentadores de aire recuperativos, el calor no se transfiere a través de una pared de una placa o de un tubo, sino que es absorbido y cedido por la misma superficie. Muchos avances en calderas de vapor han representado un mejor rendimiento y menor consumo de combustible, pero pocos han sido tan notables o se han adoptado tan rápido como el precalentador de aire regenerativo Ljungström, donde la primera instalación garantizó un ahorro de un 25 % del consumo de combustible [1]. El rotor gira de 1 a 3 revoluciones por minuto [34], dentro de este se encuentra la masa acumuladora, la cual está compuesta por una serie de cestas. Cada una de estas cestas contienen una serie de láminas que conforman la masa acumuladora que está conformada de tres conjuntos armados en forma cilíndrica. [21]. Estas se denominan chapas de calefacción, que además establece dos grupos de configuración de perfiles. A continuación se describen dichos grupos:

Configuraciones abiertas o estándares figura 1.3, los cuales se pueden utilizar donde se requiere una relación óptima entre la capacidad calorífica y las pérdidas de carga; de este grupo de configuraciones se tienen dos tipos, los mismos se mencionan a continuación:

Configuración de perfiles DU.

Configuración de perfiles CU.

Configuraciones cerradas o especiales figura 1.4, estas configuraciones no tienen puntos de cruce, por lo tanto se pueden utilizar en sistemas donde la limpieza de los residuos de combustibles es problemática, para este grupo de configuraciones se tienen tres tipos, las mismas se mencionan a continuación:

Configuración de perfiles NF, esta se emplea sólo en la zona fría del precalentador, debido a su deficiente capacidad calorífica Configuración de perfiles UNF, esta se emplea en las zonas fría y caliente del precalentador, su capacidad calorífica no difiere mucho de la configuración CU. Configuración de perfiles CF, esta se emplea en las zonas fría y caliente.

Otra parte importante del intercambiador de calor Ljungstrom es el sistema de juntas cuya función es evitar la mezcla del aire con los gases de combustión. Este sistema se compone de juntas radiales y de envoltura, las cuales pueden ser ajustadas a la anchura óptima de intersticio desde el exterior durante la marcha [35].

Descripción del funcionamiento del precalentador de aire Ljungstrom.

El proceso se inicia cuando el aire del ambiente a una temperatura de 38 °C es introducido al sistema por los Ventiladores de Tiro Forzado (VTF) y es llevado por medio de los ductos a los Calentadores de Aire por Condensado (CAC), los cuales son intercambiadores de calor que utilizan la energía calorífica del condensado del vapor generado por la unidad, lo cual permite que el aire del ambiente adquiera una temperatura aproximada de 80 °C, de allí el aire pasa a los Calentadores de Aire a Vapor (CAV), los cuales son intercambiadores de calor que utilizan la energía calorífica del vapor generado por la caldera, lo cual permite que el aire eleve su temperatura a unos 140 °C y luego sea conducido a los precalentadores de aire regenerativo Ljungström.

El giro del rotor es el que genera ciclos continuos e interrumpidos de intercambio de calor entre los fluidos involucrados y los metales de la masa acumuladora, puesto que los gases de combustión que provienen de la caldera, ingresan al Ljungstrom con una temperatura aproximada de 371°C, estos intercambian calor con las cestas de la masa acumuladora que se encuentran en su trayectoria de salida y fueron enfriadas al entrar en contacto con el aire, mientras que por el otro ducto ingresa aire proveniente del equipo CAV que igualmente intercambia calor con las cestas que se interponen en su trayectoria y fueron calentadas por los gases de combustión. Los ciclos continuos de intercambio de calor disminuyen la temperatura de los gases de combustión a 140°C en la figura 1.5, mientras que el aire incrementa su temperatura hasta alcanzar 327°C, permitiendo de esta manera el ahorro de combustible del 18% [21, 36].

En el funcionamiento del precalentador de aire Ljungstrom es en este proceso que se realiza el aprovechamiento energético dentro de una planta termoeléctrica, ya que genera una ganancia que es proporcional entre eficiencia de la unidad generadora de vapor y ahorro de combustible. Por lo que su buen funcionamiento es significativo para esta generación de vapor, sin embargo este precalentador de aire tiene un inconveniente que es la suciedad de las canastas debido al cúmulo de partículas que terminan por obstruirla y por esto se genera una caída de la transferencia de calor en esta unidad.

Inconvenientes de los precalentadores de aire Ljungstrom.

En la industria eléctrica existen problemas operacionales y de mantenimiento que en los precalentadores de aire Ljungstrom no escapan a ellos y por su funcionamiento los humos provenientes de la caldera contienen partículas hollín y cenizas que se adhieren en las canastas obstruyendo el flujo de aire por ensuciamiento. Esto se puede presentar en el lado caliente del precalentador, pero lo más normal es que se desarrolle en el lado frío, en donde las partículas de ceniza en polvo se adhieren a la superficie calefactora o masa acumuladoras con más facilidad, por estar humedecida con ácido. La obstrucción incrementa la caída de presión en el calentador, y puede provocar una limitación de la carga en la unidad generadora de vapor, haciéndola funcionar a una carga menor que la nominal cuando los ventiladores alcanzan su máxima capacidad, como se muestra en la figura 1.6

Este taponamiento también genera corrosión en el lado frío de los elementos calefactores. En una caldera, parte del SO2 producido se convierte en SO3 y éste se combina con la humedad para formar vapor de SO4H2; este vapor condensa en las superficies que tengan temperaturas inferiores a la del punto de rocío, entre 120 ºC a 150ºC; la temperatura del metal, en el lado frío del precalentador, es de 93ºC, por lo que existe riesgo de corrosión[7], la erosión de la laminas calefactoras se produce a causa del impacto de las partículas de ceniza en polvo que arrastran los humos a alta velocidad. La erosión se presenta en zonas próximas a la entrada de humos, que es donde las velocidades resultan.

la limpieza de la canasta de precalentador de aire, ha sido problema importante ya que el proceso de limpieza tarda aproximadamente de 25 a 50 horas [37] y es una causa significativa de tiempo de inactividad de la industria eléctrica lo que incrementa los costos. Los métodos de limpieza incluyen el uso de mangueras de incendio y la presión de aire para eliminar las cenizas volantes de las canastas, pero estos métodos sólo han tenido un éxito parcial. Por otra parte, la sustitución de las canastas ha sido otra solución al problema de la baja eficiencia causada por una canasta de precalentador de aire obstruido, sin embargo esto es muy costoso en términos de tiempo de inactividad y los gastos [18].

Método de limpieza de los precalentadores de aire Ljungstrom

Los procedimientos de limpieza para este tipo de intercambiador de calor regenerativo se realizan con dispositivos mecánicos automatizados empleados con controladores de velocidad reguladores de fluidos para lo cual emplean boquillas de inyección de flujo y que pueden utilizar agua a alta presión, vapor saturado o aire comprimido en [6, 7, 16, 18, 19, 37] estos artículos no especifican el periodo de limpieza, ni el caudal que manejan las boquillas solo indican el tiempo total de limpieza que es de 48 a 72 horas según el grado de suciedad de las canastas. Las empresa de servicio industrial dedicas a esta asistencia a la industria eléctricas dan el periodo de limpieza que puede ser de 24 a 72 horas según la suciedad de las canastas, emplean dispositivos mecánicos automatizados con boquillas de pulverizadoras cuyo número va de 2 a 4 boquillas mayormente utilizan agua con solvente para la limpieza y caudales grandes de agua que va 200 a 600 GPM, estas aplicaciones se utilizan en plantas termoeléctricas con la caldera utiliza combustible fósiles o gas natural[22-32]. Otra aplicación es la utilización de nitrógeno líquido para la limpieza de canasta utilizando equipos de alta presión el primer inconveniente son las bombonas de nitrógeno que hay que emplear y costo de este producto y el segundo es el tiempo de aplicación se realiza manual lo que incrementa considerablemente el tiempo para la limpieza[38]. El mejor procedimiento para la limpieza es realizarla con dispositivos automatizados del alta presión con agua o vapor con valores de presión entre de 250 a 500 bar con controles de supervisión como medir la presiones de operación, temperatura instalados sobre el precalentador de aire Ljungström de manera que indiquen cuando debe iniciarse la limpieza y como un medidor de pH que indica cuando debe detenerse esta, elaborar un plan de mantenimiento preventivo de limpieza con periodos de cada trimestral de manera tener una producción limpia como se establece en [15], con ello se garantiza una mayor vida útil de la canastas una buena efectividad térmica con un buen rendimiento global de la planta con este se genera un ahorro de combustible y al eliminar su impacto contribuye a la conservación del medio ambiente.

Conclusiones

El inconveniente que es la suciedad de las canastas debido al cúmulo de partículas que terminan por obstruirla y por esto se genera una caída de la transferencia de calor en esta unidad y pérdidas de generación eléctrica.

El precalentador de aire Ljungstrom es en su proceso operacional es donde se realiza el aprovechamiento energético dentro de una planta termoeléctrica, ya que genera una ganancia que es proporcional entre eficiencia de la unidad generadora de vapor y ahorro de combustible.

Los procesos con dispositivos automatizados son los más efectivos para la limpieza del precalentador de aire Ljungstrom y se hacen en un tiempo optimo.

Estableciendo un plan de manteniendo preventivo para el precalentador de aire Ljungstrom y se tendría un buen funcionamiento con un aumento de la vida útil de las canastas calefactoras, en un mejor aprovechamiento de la unidad.

Al mantener una buena efectividad térmica de operación en el precalentador de aire Ljungström se disminuye el impacto ambiental, logrando así una conservación del medio ambiente.

Sobre los autores.

Ing. Italo Fortunato Maluenga Román,

Instituto universitario de tecnología Puerto Cabello, Puerto Cabello –Venezuela, Docente instructor, miembro del comité académico del PNF de Mantenimiento.

Referencias

[1] ASME, "Precalentadores de aire Ljungstrom," American Society of Mechanical Engineers, vol. 3, p. 8, 1995.

[2] E. Avallone and T. Baumeister, "Precalentador de aire," in Manual del Ingeniero Mecanico. vol. 9, Mcgraw-Hill, Ed., McGRAW-HILL ed, 1995.

[3] N. Ghodsipour and M. Sadrameli, "Experimental and sensitivity analysis of a rotary air preheater for the flue gas heat recovery," Applied Thermal Engineering, vol. 23, pp. Pages 571-580 2003.

[4] Z. Wu, et al., "Model-based analysis and simulation of regenerative heat wheel " Energy and Buildings, vol. 38, pp. 502-514, 2006.

[5] R. Shah and D. Sekulic "Fundamentals of heat exchanger design," in The e-NTUo Method, U. States, Ed., ed River Street: JOHN WILEY & SONS, INC., 2003, p. 321.

[6] M. Frauenfeld, "Apparatus and method for cleaning the heat exchanging surfaces of the heat transfer plates of a rotary regenerative heat exchanger," Heidelberg Patent, 1979.

[7] H. C. Atchison and B. G. Simmons, "High energy wash of Ljungstrom air preheather," 1981.

[8] T. Skiepko, "Method of monitoring and measuring seal clearances in a rotary heat exchanger," Heat Recovery Systems and CHP, vol. 8, pp. 469-473, 1988.

[9] T. Skiepko, "Efecto de la reducción de los espacios libres de sellado en las fugas en un intercambiador de calor rotativos," Heat Recovery Systems and CHP, vol. 9, pp. 553-559, 1989.

[10] T. Skiepko, "Indirect Estimation of Leakage Distribution in Steam Boiler Rotary Regenerators," Heat Transfer Engineering, vol. 18, pp. 56 – 81, 1997.

[11] J. Kern, "Heat transfer in a rotary heat exchanger," International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 17, pp. 981-990, 1974.

[12] R. Shah, "A Correlation for Longitudinal Heat Conduction Effects in Periodic-Flow Heat Exchangers," International Journal of Engineering for Power, pp. 453-454, 1975.

[13] O. Büyükalaca and T. Yilmaz, "Design of Regenerative Heat Exchangers," vol. 24, ed, 2003, pp. 32-38

[14] P. C. Mioralli, "Análise Térmica de um Regenerador Rotativo," Dissertação (Mestrado). Faculda de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas -Brazil, 2005.

[15] J. Landa and T. Rodríguez, "Método generalizado para establecer un parámetro de diagnostico a través del análisis de la limpieza con vapor de los calentadores de aire regenerativo de las centrales termoeléctricas.," Avanda Cientifica, vol. 6, 2003.

[16] M. Frauenfeld, "Apparatus for cleaning the heat exchanging surfaces of the heat transfer plates of rotary regenerative heat exchangers," Heidelberg, Germany Patent 4025362, 1977.

[17] K. Shozo, "Dispositivo para la limpieza de precalentador de aire," UE Patent, 1986.

[18] J. Allen, et al., "Air preheater wáter jet cleaning apparatus," 4,850,423, 1989

[19] S. Thomas and C. A. Lockert, "Method for online cleaning of air preheaters " US Patent 20110005706, 2011.

[20] J. García, et al. (2006) Análisis de los calentadores de aire regenerativo de centrales térmicas: Frecuencia óptima de soplado con vapor para una producción más limpia Ingeniería química. 142-146.

[21] Alstom. (2011). Ljungström Air Preheaters for Power Stations. Available: www.airpreheatercompany.com

[22] Aquilex. (2011, 12). Air Preheater Cleaning Services. Available: www.hydrochem.com

[23] Aslom. (2011, 12). Cleaning Equipment. Available: http://www.airpreheatercompany.com/Service/Category.aspx?cat=2&subcat=1

[24] P. Bjälvenlid. (2011). Ljungströmmaren Vingen XII. Available: http://home.swipnet.se/~w-69599/flpers.htm

[25] H. Blasting. (2011, 20). Air Pre-Heater Cleaning Available: http://www.envirovac.us/hydro-blasting/high-volume-hydroblast-services/

[26] B. Buecker. (2011, 12). Air heater cleaning simplified.

[27] D. Gardner. (2011, 29). Sistemas de limpieza de precalentadores de aire.

[28] Howden. (2011, 2011). Precalentador de aire regenerativo Ljungstrom Available: http://www.howden.com/es/Products/HeatExchangers/AirPreheaters/default.htm

[29] Hydrotech. (2011, 18/12/2011). Servicio de limpieza automatizado de calentadores de gas y de precalentadores de aire. Available: http://www.hydrotechsystems.eu/2-servicio_de_limpieza_automatizado_de_calentadores_de_gas_y_de_precalentadores_de_aire.html

[30] Meylan. (2011, 12). Air preheater cleaning. Available: http://www.meylan.net/preheater.asp

[31] I. S. Riley. (2011). Air Preheater Cleaning. Available: http://www.rileyindustrial.com/preheater.htm

[32] Schafer & Urbach. (2011, 12). Cleaning of rotary air preheaters.

[33] R. Shah and D. Sekulic "Fundamentals of heat exchanger design," in Classification of Heat Exchangers, U. States, Ed., ed River Street: JOHN WILEY & SONS, INC., 2003, pp. 47-52.

[34] R. Shah and D. Sekulic "Fundamentals of heat exchanger design," in Thermal Design Theory for Regenerators, U. States, Ed., ed River Street: JOHN WILEY & SONS, INC., 2003, pp. 308-312.

[35] Borsig, "Manual operación y mantenimiento de precalentadores de aire Ljungstrom ", ed. , 1976.

[36] A. M. Rubio G, "Superficies recuperadoras de calor ", Feijóo, Ed., ed San Clara CU, 2006.

[37] C. Ginn, "Air preheater cleaning method," Houston. Texa Patent, 1994

[38] A. Hovland, et al., "Innovative Cleaning of Air Preheater Coils with Pressurized Liquid Nitrogen," BUSINESS AND TECHNOLOGY FOR THE GLOBAL GENERATION INDUSTRY, vol. 154, p. 4, 2010.

Autor:

Italo Fortunato Maluenga Román1

1Instituto Universitario de Tecnología Puerto Cabello, 2