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