DISPOSITIVO Y MÉTODO PARA MEDIR EL CAUDAL TÉRMICO ESPECÍFICO EN UNA PARED DE MEMBRANA PARA OPTIMIZAR EL DISEÑO Y EL FUNCIONAMIENTO DE UNA CALDERA.

Procedimiento para detectar y medir el caudal térmico (q) en una pared de membrana formada por tubos,

en los que circula un medio calentable, y nervios, caracterizado porque los pasos a) medición de la diferencia de temperatura (ΔT) entre un nervio y un tubo mediante por lo menos dos termoelementos que están unidos a través de puntos de contacto (7, 8) con un nervio y un tubo, b) cálculo del caudal térmico específico a partir de la diferencia de temperaturas entre el nervio y el tubo por la ecuación q = ΔT.

En los generadores de vapor, la energía de los gases de combustión se transmite en el intervalo alto de temperaturas esencialmente por radiación de las llamas y de los gases y en el intervalo inferior de temperaturas esencialmente por convección al agua o al vapor. El diseño de las superficies de transmisión de calor debe adaptarse a las leyes físicas. En el intervalo alto de temperaturas son habituales los canales de gases de combustión sin deflectores, también llamados canales vacíos o de radiación.

En los intervalos inferiores de las temperaturas de los gases de combustión se equipan las calderas con tubos de humos, que aseguran una buena transición térmica por convección del gas de combustión al medio que se pretende calentar. Las paredes que delimitan el paso del gas de combustión de todos los tubos de humos están formadas en la mayoría de casos por paredes de membrana. Estas paredes de membrana están formadas por tubos soldados entre sí (3) mediante nervios (4). Constituyen un cierre estanco para los gases de combustión y en general se enfrían con el agua hirviente de los tubos.

Por razones técnicas de proceso y materiales, en zonas parciales de los canales de radiación se tiene que restringir el caudal térmico en las paredes de membrana. Esto se realiza con revestimiento interior refractario, es decir, materiales que se eligen con arreglo a las cargas químicas y térmicas que deben soportar y que se sujetan sobre las paredes de membrana de muchas maneras.

Los gases de combustión se enfrían desde las temperaturas de combustión adiabática de los canales de radiación hasta la temperatura apropiada de entrada en las zonas de convección. La temperatura adecuada de entrada de los gases de combustión en la zona de convección dependerá de las propiedades del combustible utilizado y de las temperaturas de vapor deseadas. En las plantas incineradoras de residuos, la temperatura adecuada de entrada de los gases o humos se sitúa con frecuencia en el intervalo de 500 a 600ºC.

Las impurezas de los combustibles, ya sean cloro, azufre, metales pesados, álcalis, metales alcalinotérreos y otros minerales, en función de las temperaturas de combustión forman compuestos gaseosos o de tipo vapor, que, por diversos mecanismos de corrosión, atacan los materiales con los que se ha fabricado la caldera, tanto cuando se hallan en fase gaseosa como cuando se hallan en fase condensada después del enfriamiento. Además, los polvos inertes se aglomeran gracias a estos compuestos condensantes y forman depósitos. Estos depósitos, tanto en los canales de radiación como en los canales de convección, impiden la transición térmica del gas de combustión a las superficies de calentamiento. En los canales de convección, los depósitos dificultan además el tiro y libre salida de los gases de combustión.

Cuando se diseñan las superficies de calentamiento se intenta que los gases de combustión de los canales de radiación se enfríen de tal manera que se haya prácticamente terminado la condensación de los componentes gaseosos o en forma de vapor antes de la entrada en el tiro de convección y se reduzca la agresividad de las fracciones gaseosas. En especial en el inicio del tiempo de movimiento, en el caso de superficies de calentamiento, y eventualmente en caso de producción parcial, la temperatura del gas de combustión deberá ser lo suficientemente elevada antes de entrar en el tiro de convección para asegurar que habrá un recalentamiento suficiente del vapor.

Además, trabajando con las mayores diferencias posibles de las temperaturas y las transiciones térmicas entre el gas de combustión y el medio a calentar se pretende minimizar las superficies de calentamiento y por tanto los costes de producción. Los métodos de cálculo disponibles permiten fundamentalmente un diseño de este tipo.

En el documento WO 2004/036116 A2 se describe un dispositivo de medición de un intercambiador de calor con un tubo de presión y por lo menos un termoelemento, dicho tubo de presión tiene una pared, en la que se ha practicado una escotadura, que se extiende a lo largo de una zona parcial del perímetro de la pared del tubo, con lo cual la escotadura aloja al termoelemento y se rellena con material de relleno. El termoelemento está dispuesto de forma excéntrica en la zona parcial deformada por la escotadura.

En US 6,485,174 B1 se describe un aparato de medición equipado con termopares, que mide la temperatura de gases de combustión, con el fin de determinar el caudal térmico en las posiciones elegidas de una pared de membrana. El aparato de medición pasa por una abertura de la pared y se sujeta en la cara exterior.

En US 4,779,994 A se describe un medidor de caudal térmico para medir el paso de calor a través de una superficie.

Todos los elementos de este aparato de medición son películas delgadas, que se aplican sobre esta pared por chisporroteo o por un proceso similar. El medidor de caudal térmico contiene un gran número de puntos de conexión de los termopares, que están dispuestos en forma de termocadena de puntos de conexión calientes y fríos sobre las dos caras de un elemento plano de resistencia térmica. Las capas electroaislantes y protectoras están alojadas entre la superficie y el aparato de medición y sobre su cara exterior. La tensión que indica el aparato de medición es un índice del caudal térmico.

Objeto de la invención

Las propiedades de los combustibles de fuentes difusas y por tanto el comportamiento de los gases de combustión no siempre pueden predecirse con exactitud. Hay que evitar que se rebasen en gran medida las temperaturas de gas de combustión deseadas antes de la entrada en el canal de radiación de convección debido a depósitos muy gruesos en las superficies de calentamiento. Cuando se conocen la cantidad y la composición del gas de combustión, gracias a las mediciones de la temperatura del gas de combustión puede determinarse la disminución del contenido calorífico de los gases de combustión. Tomando en consideración la superficie de calentamiento se puede calcular el caudal térmico específico promedio anterior referido a las superficies de calentamiento en cuestión.

En base a este resultado lamentablemente no se puede reconocer a través de la medición de las temperaturas del gas de combustión en qué zonas de los canales de radiación los depósitos u otros factores dificultan la transición térmica de modo tan fuerte que la planta tenga que limpiarse por un proceso “en línea” o tenga que pararse para realizar la limpieza. Es ventajoso, sobre todo en la limpieza “en línea”, que se conozca la zona donde están los depósitos gracias a un proceso de medición. Además de los depósitos hay que prestar atención al revestimiento refractario (11). Este revestimiento refractario protector (11) tiene una vida útil comprendida entre un año y cinco años. El revestimiento refractario se aplica por proyección con adición de agua sobre la pared de membrana, se repasa (iguala) y después se fragua. Se conocen también las masas compactadas manualmente. El grosor de capa de las masas aplicadas de esto modo se sitúa entre 25 mm y 30 mm. Los tipos recién mencionados de revestimiento refractario se sustituyen cada vez más por baldosas o losetas de SiC (carburo de silicio) que son más fáciles de montar, que opcionalmente pueden ventilarse por detrás o puede verterse un mortero especial por detrás de ellas para sujetarlas sobre la pared de membrana. Una vez terminada su vida útil, los revestimientos refractarios pueden desprenderse repentinamente en segmentos considerables o bien formar un hueco de gas de combustión entre ellos y la pared de la membrana. Las dos cosas son inconvenientes para el proceso y en el futuro podrán reconocerse en una fase temprana según esta invención. En el hueco pueden tener lugar fuertes corrosiones de la pared de membrana y se obstaculiza el caudal térmico debido a la resistencia térmica adicional del hueco del gas de combustión. Cuando se suelta el revestimiento refractario, el caudal térmico es mayor de lo previsto y los gases de combustión agresivos entran en contacto directo con los materiales metálicos.

Además de los mecanismos aquí descritos existen zonas de las calderas, en las que para el diseño, por ejemplo para cumplir las condiciones de combustión mínima en las plantas incineradoras de residuos, se tiene que saber el valor del caudal térmico en determinadas zonas de la caldera. En este contexto cabe mencionar en el caso de las plantas incineradoras de residuos en especial la... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para detectar y medir el caudal térmico (q) en una pared de membrana formada por tubos, en los que circula un medio calentable, y nervios, caracterizado porque los pasos a) medición de la diferencia de temperatura (∆T) entre un nervio y un tubo mediante por lo menos dos termoelementos que están unidos a través de puntos de contacto (7, 8) con un nervio y un tubo, b) cálculo del caudal térmico específico a partir de la diferencia de temperaturas entre el nervio y el tubo por la ecuación q = ∆T.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque los termoelementos miden la diferencia de temperaturas en la cara opuesta al gas de combustión de una caldera de calentamiento limitada por la pared de membrana, en la que en especial el tubo está contiguo al nervio y las temperaturas se miden con preferencia en el centro del nervio y/o con preferencia en el vértice del tubo, siendo con preferencia agua hirviente el medio calentable que circula por el interior de los tubos.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque para dicho procedimiento se emplea por lo menos un dispositivo según una de las reivindicaciones de 7 a 9, en el que con preferencia varios de estos dispositivos miden diferencias de temperatura en diferentes puntos de la caldera.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones de 1 a 3, caracterizado porque los termoelementos miden la temperatura por el efecto de Seebeck, dichos termoelementos contienen con preferencia hierro y constantán y en especial el material de base, formado por nervios y tubos de la pared de membrana, se utiliza como parte de los termoelementos y los termoelementos están formados con preferencia especial por la pared de membrana que contiene hierro y por los filamentos de constantán alojados en ella, dichos filamentos de constantán están con preferencia soldados directamente sobre la pared de membrana.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones de 1 a 4, caracterizado porque el caudal térmico, con preferencia el caudal térmico a lo largo del tiempo de ciclo o movimiento y por tanto el tipo y tamaño de las resistencias térmicas, se determina a partir de los datos obtenidos durante el funcionamiento a través de la temperatura de diferencia “en línea”.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones de 1 a 5, caracterizado porque

- se miden varias diferencias de temperatura de las paredes de membrana en la zona de la cámara de combustión y en los canales de radiación, -se realiza una comparación de los datos medidos con los datos óptimos establecidos previamente, -se efectúa un ajuste de las condiciones de combustión, por ejemplo cambios en la composición del combustible, adición de oxígeno o velocidad del gas de combustión y -se efectúa una limpieza “en línea” de los canales de radiación hasta que el caudal térmico medico por la diferencia de temperaturas coincida con los valores de los estados óptimos establecidos previamente.

7. Dispositivo para una superficie de transmisión de calor dispuesto después de la cámara de combustión de una central térmica, formado por tubos para el medio a calentar y nervios, que están soldados sobre los tubos para formar una pared de membrana continua, que contiene esta pared de membrana, caracterizado porque en la pared de membrana se disponen por lo menos dos termoelementos según el procedimiento según una de las reivindicaciones de 1 a 6, de los cuales por lo menos uno está unido mediante un punto de contacto (7) con un nervio y por lo menos uno está unido por el punto de contacto (8) con un tubo, y porque los termoelementos miden la diferencia de temperatura entre nervio y tubo.

8. Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado porque se miden las temperaturas de la cara opuesta al gas de combustión de una caldera de calentamiento limitada por paredes de membrana, en el que en especial el tubo está contiguo al nervio y las temperaturas se miden con preferencia en el centro del nervio y/o con preferencia en el vértice del tubo, siendo con preferencia agua hirviente el medio calentable que circula por el interior de los tubos.

9. Dispositivo según la reivindicación 7 ú 8, caracterizado porque los termoelementos miden la temperatura por el efecto de Seebeck, dichos termoelementos contienen con preferencia hierro y constantán y con preferencia especial están formados por la pared de membrana que contiene hierro y por los filamentos de constantán alojados en ella, dichos filamentos de constantán están con preferencia soldados directamente sobre la pared de membrana.

10. Uso de un dispositivo según una de las reivindicaciones de 7 a 9 o de un procedimiento según una de las reivindicaciones de 1 a 6 para optimizar la regulación de la capacidad incineradora de centrales térmicas, formadas por calderas de calentamiento con cámara de combustión, canales de radiación y de convección así como paredes de membrana, caracterizado porque se mide la diferencia de temperatura en varios puntos de las paredes de membrana, a partir de estos datos se establece un perfil de caudales térmicos y

- este se emplea como valor real para la regulación de la capacidad incineradora, o -después de la comparación con un perfil de liberación térmica uniforme se determina la situación del fuego en el sistema de combustión y el tipo y tamaño de las acciones reguladoras necesarias para el lugar y la cantidad de la alimentación de combustible y, en caso de desviación con respecto al perfil de caudal térmico, se modifica el tipo y tamaño de la dosificación del combustible sobre la parrilla o el lecho de combustible hasta que el perfil de caudal térmico derivado de las temperaturas de diferencia medidas coincida con los perfiles de caudal térmico preestablecidos para una liberación térmica uniforme.

11. Uso de un dispositivo según una de las reivindicaciones de 7 a 9 o de un procedimiento según una de las reivindicaciones de 1 a 6 para optimizar la regulación de la capacidad de combustión de centrales térmica, formadas por calderas de calentamiento con cámara de combustión, canales de radiación y de convección así como paredes de membrana, caracterizado porque se mide la diferencia de temperaturas en varias puntos de las paredes de membrana durante el funcionamiento y a partir de estos datos se halla el perfil de caudal térmico y

- a partir de este perfil a lo largo del camino de calcinación de los gases en el sistema de combustión se determina el tipo y el tamaño de las acciones de regulación correspondientes requeridas y/o -a partir de este perfil se reconoce en las paredes de la cámara de combustión la posición de la zona de calcinación de los gases de combustión y, de este modo, se determina el tipo y el tamaño de la distribución necesaria del aire, tanto primario como secundario, y/o -a partir de este perfil se determinan en las paredes de la cámara de combustión las zonas dañadas del revestimiento refractario e inmediatamente las capas de protección y aislamiento, y/o -con arreglo a este perfil se procede a limpiar la caldera y/o -se utiliza este perfil para el balance de la caldera de combustión con su cámara de combustión, canales de radiación y de convección y eventualmente otras partes de la planta y para la determinación del valor calorífico del combustible.