REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA UNIVERSITARIA UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD POLITECNICA TERRITORIAL DEL NORTE DE MONAGAS “ LUDOVICO SILVA “ DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECÁNICA. CÁTEDRA : GENERACION DE POTENCIA PROF,: Ing. ( Msc. ISMAEL V!LIZ. E"M#$%: $s&#'%'%$)*g&#$%.c+& $s&#'%'%$)*g&#$%.c+&
EL VAPOR Y SUS APLICACIONES INTRODUCCIÓN
La historia del uso de vapor así como su obtención, tratamiento y la forma de conversión para lograr algún tipo de energía es y seguirá siendo uno de los mayores retos de la huma humani nida dad. d. Esta Esta situ situac ació ión n se refl reflej eja a en los los cost costos os de prod produc ucci ción ón del del vapo vaporr y, en consecuencia, en la competitividad y sustentabilidad de la empresa. El vapor de agua es un servicio muy común en la industria, que se utilia para proporcionar energía t!rmica a los procesos de transformación de materiales a productos, por lo que la eficiencia del sistema para generarlo, la distribución adecuada y el control de su consumo, tendrán un gran impacto en la eficiencia total de la planta de generación. En el área de la generación de energía, las invenciones más innovadoras fueron las relacionadas al uso del vapor. "na solución a todas estas demandas fue la invención de la máquina de vapor desarrollada por #homas $e%comen La importancia de las máquinas de vapor, atrajo a científicos como &arnot a fundar la termodinámica, las máquinas de vapor permitían una mejora en la e'plotación de minas( en la construcción ya que requería de mayores cantidades de hierro.
." FUNDAMENTOS DEL VAPOR El vapor se refiere refiere a la materia materia en estado gaseoso. gaseoso. )unque )unque este no se limita limita al vapor generado por agua, muchos diferentes tipos de vapor e'isten en el mundo. *in embargo, el t!rmino + vapor + es más comúnmente usado para referirse al estado gaseoso del agua. El vapor de agua resulta cuando esta es calentada hasta el punto de ebullición bajo una presión constante, lo cual provoca que se vaporice. En aos recientes, los alcances del uso de este -vapor generado por agua- se han ampliado, de solamente utiliarse en la industria, ha utiliarse todos los días de manera dom!stica, como en el caso de hornos y limpiadores de vapor. "no de los medios de transmisión de calor más usados en la industria es el vapor de agua, esto debido a la facilidad en su producción generación/ transporte y manejo, por ello, tambi!n tambi!n es usado en la generación generación de energía energía el!ctrica. el!ctrica. *in embargo, y a pesar de su fácil fácil manejo, su uso llega a presentar ineficiencias, que se traducen en un mayor consumo de combustible y, por ende, en sobre costos en los procesos productivos. El vapor de agua es el fluido t!rmico más utiliado en la industria debido a dos de sus principales características0 a/ 1acilidad de almacenar y entregar energía, tanto t!rmica, como cin!tica( b/ *implicidad de transporte y control, ya que únicamente requiere de tuberías que lo conducan y elementos que regulen su presión. Estas Estas dos caracterí característi sticas cas,, hacen hacen del vapor vapor de agua agua un fluido fluido muy manejabl manejable, e, ya que mediante su presión dinámica, !ste puede ser conducido con facilidad a grandes distancias, así como en flujos variables.
-." TIPOS DE VAPOR SUS APLICACIONES APLICACIONES Las aplicaciones principales de vapor pueden ser a groso modo divididas en aplicaciones de calentamiento 2 humidificación y en aplicaciones de impulso 2 motrices. dividiremos los tipos de vapor en categorías desde el punto de vista de las aplicaciones en las cuales es usado. 3.45 6apor para &alentamiento 2 7umidificación Ing. ( Msc ) Ismael V éliz
3.4.45 6apor de 8resión 8ositiva 3.4.3.5 6apor al 6acío 3.3.5 6apor para 9mpulso 2 :ovimiento
/." ESTADOS DEL VAPOR El agua en estado líquido es lo más familiar para nosotros. *e dice que apro'imadamente el ;< = del cuerpo humano es agua. El agua está estabiliada como un líquido bajo temperatura y presión normales por el movimiento de los iones de hidrógeno.
El calor sensible es aquella energía t!rmica que absorbe un cuerpo en este caso el agua/ y se manifiesta en un cambio en su temperatura. &ada ve que se incremente la energía que se aporte al agua, se incrementa la temperatura. >esde el punto +a? al punto +b?, el agua se encuentra en estado líquido sub5enfriado, ya que en todo momento al darle energía, el agua incrementa su temperatura pero no sufre un cambio de fase. *i el agua es calentada, esta se convierte en vapor de agua ó agua en estado gaseoso. Las propiedades de este vapor varían enormemente dependiendo de la combinación de las condiciones de presión y temperatura a la cuales se generó. >ividiremos los tipos de vapor en categorías basadas en su estado.
0.." V#1+2 S#342#5+: El vapor en el estado de saturación está compuesto tanto de agua en la fase líquida como de agua en la fase gaseosa. En otras palabras, la tasa de evaporación es igual a la de condensación. 0.-." V#1+2 S+62'c#%'n3#5+: El vapor sobrecalentado es creado por medio del calentamiento adicional del vapor saturado, produciendo vapor que cuenta con mayor temperatura que la de saturación a la misma presión. 0./." Ag4# S41'2 C273$c#: El agua super crítica es agua en estado que e'cede el punto crítico del agua( 33.<@ :pa, A;A.BC &. En el punto crítico, el calor latente de vapor es cero,
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es decir, es el agua que está más caliente a mayor presión en un estado indistinguible que ni es líquido ni es gas, es agua en la forma en que no es ni líquida ni gaseosa.
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8." EL COSTO DE LAS P!RDIDAS DE VAPOR En invierno puede verse la nube blanca del aliento de una persona o en el interior de las plantas de generación se pueden ver densas nubes de vapor. Esto sucede cuando la temperatura e'terior es baja y se genera más vapor de lo usual, lo que es un motivo de preocupación para las personas responsables del mantenimiento de las trampas de vapor. *e recomienda que las trampas fallando se reemplacen de inmediato. El vapor no solamente es un problema de visibilidad, las p!rdidas monetarias no deberían pasarse por alto si este vapor es resultado de fugas en la instalación.
8.." C9%c4%+ 5'% c+s3+ 5' 125$5#."
8.-." C9%c4%+ 5' %#s ;4g#s 5' #1+2 1+2 +2$;$c$+s 'n %#s 346'27#s ."
E<'&1%+ ." Una tubería de 0,25 cms de diámetro que conduce vapor a 1500 kPa y 120 °C, desde una caldera pirotubular asta una un sistema de autoclaves de esterili!aci"n de un Centro de #ia$n"stico %nte$ral & C#% ', presenta una (u$a por un ori(icio de 1 ) * pul$ada de diámetro+ #etermine
Cuantos -$, de vapor se (u$an si la .ornada diaria de traba.o es de / oras +
l costo anual de las prdidas de vapor por el ori(icio
3ota asuma el valor de la constante k 4 / y el costo de una tonelada de vapor i$ual a 120 s(+
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Las fugas de vapor son una forma visible de desperdicio de energía y, por lo mismo, tambi!n indican una indiferencia por la operación eficiente del sistema. El aislamiento en tuberías, equipos y accesorios del sistema de distribución de vapor y retorno de condensado, evitará p!rdidas de calor hacia el ambiente. Es muy importante instalar, en cada tramo de tubería, el espesor óptimo de aislamiento. En la tabla $o. C se indica el efecto que produce un inadecuado aislamiento.
6isten dos mtodos para estimar las prdidas de vapor por (u$as 1. n (unci"n del tama7o del ori(icio &8abla / ' y 2. n (unci"n de la presi"n de operaci"n vs altura de pluma &8abla 9'+
La tabla ; muestra el valor de las p!rdidas de vapor, en Dilogramos de vapor ó libras de vapor por hora, para un largo de pluma y una temperatura ambiente determinada.
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GENERADORES DE VAPOR l vapor es usado e6tensamente en el sector industrial y comercial, principalmente en el calentamiento de procesos, en la $eneraci"n de potencia y en la cale(acci"n de espacios+ l vapor se obtiene a partir del a$ua, la cual está disponible y es barata: es limpio, inodoro, insípido y estril: es de (ácil distribuci"n y control: cuando se condensa, da un calor a temperatura constante: tiene un alto contenido ener$tico: puede usarse para $enerar potencia y proporcionar cale(acci"n+ l vapor se puede producir en cualquiera de las tres condiciones si$uientes ;apor
Los generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporian o calientan el agua para aplicaciones industriales. ) la combinación de una caldera y un sobrecalentador se le conoce como generador de vapor. Los generadores de vapor o calderas, en sus vertientes de vapor y agua caliente, están ampliamente e'tendidas tanto para uso industrial como no industrial, encontrándose en cometidos tales como, generación de electricidad, procesos químicos, calefacción, agua caliente sanitaria, etc. Las necesidades de vapor de agua de una industria en general pueden resumirse en0 1. 2. 3.
vapor como medio de calefacción directa o indirecta vapor como materia prima vapor como medio de obtención de energía el!ctrica
La generación de vapor para el accionamiento de las turbinas se realia en instalaciones generadoras comúnmente denominadas calderas. En la caldera propiamente dicha se produce el calentamiento, la evaporación y posiblemente el recalentamiento y sobrecalentamiento del vapor. >ebido a que no estamos limitados a usar vapor saturado en la entrada de la turbina, se puede transferir al vapor energía adicional dando como resultado vapor en condiciones de sobrecalentamiento. "na caldera de vapor es una unidad de proceso de gran importancia en todo tipo de industrias. "na caldera es un equipo donde se transmite el calor de los gases de combustión hacia el agua que contiene en su interior, para producir vapor. La capacidad nominal es el dato de placa que la caldera tiene, ya sea que venga en &&, o bien, espe cificado en Dg2h, ton2h, lb2h, Dcal2h, tu2lb. >icha capacidad es bajo condiciones normales. Ing. ( Msc ) Ismael V éliz
La capacidad de producción de vapor de un generador caldera/ se e'presa en 78 78 caldera/ o &aballos &aldera, &&/, en la cantidad de vapor producido por hora Dg2h ó lb2h/. #ambi!n puede ser e'presada en t!rminos de energía, esto es, cantidad de calor absorbido por hora tu2h, Dcal2h/ y, en algunas ocasiones en t!rminos de mega%atios :F / para generadores de vapor de gran capacidad. En otros casos, la capacidad de la caldera se e'presa en la superficie de calefacción, ya sea en m3 o pie3. El porcentaje de carga se define como la relación entre el calor que transmite por hora y el que debería de transmitir de acuerdo con su superficie de calefacción a raón de G,HC< Dcal 2 h 2 && ó de AA,C<< tu 2 h 2 &&. E'isten diversas clasificaciones de generadores de vapor de acuerdo a sus diferentes características. La más común, que es la que se utilia en la presente guía, los clasifica de acuerdo a la forma en que circulan los gases y el agua en sus tuberías.
C#%5'2#s 1$2+3464%#2's & umotubulares ' *on aquellas en las que los gases de combustión circulan al interior de los tubos, los cuales se encuentran sumergidos en el agua, la que a su ve se encuentra en un gran recipiente, lo que limita la presión de generación, ya que a mayor presión de la caldera, más gruesas deberían ser las paredes del recipiente y, por lo tanto, más costosas, lo que las haría inviables económicamente. Este tipo de calderas es el llamado tipo paquete. E'isten de dos, tres y cuatro pasos. 8or lo general son de capacidades bajas y medianas, van desde 3< && hasta B<< &&.
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C#%5'2#s #c4+3464%#2's. *on aquellas en las que el agua circula al interior de los tubos, mientras que por el e'terior pasan los gases de combustión. Este tipo de calderas es de mayor capacidad que las pirotubulares, ya que se pueden lograr presiones más altas que en las calderas pirotubulares, gracias a que el agua 2 vapor están contenidos en tubos que pueden soportar altas presiones. Las calderas de este tipo son usadas inclusive en la generación de energía el!ctrica. *e caracterian por trabajar a altas presiones, normalmente a más de 4C Dg2cm3, aunque tambi!n las hay de baja presión.
S$s3'&#s 12$nc$1#%'s 5' 4n# c#%5'2# 4. &aldera( es el equipo donde se ingresa agua, además de combustible y se obtiene vapor de agua, así como gases de combustión. 3. *istema de alimentación de agua a la caldera( este sistema debe estar integrado por0 • tanque de agua de ingreso a la caldera( • sistema de tratamiento de agua de reposición.
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A. 7ogar de la caldera( es la ona donde se lleva a cabo la combustión y donde se transfiere el calor de la flama a las paredes del recipiente o tuberías que contienen al agua. En el hogar se encuentran los quemadores y es el lugar de mayor tem peratura en la caldera. H. *istema de alimentación de combustible( los equipos que se requieren se definen en función del tipo de combustible a quemar. )lgunos de los combustibles más conocidos2usados son el diesel y el bunDer, ambos en estado líquido y el gas L8 y el gas natural, ambos en estado gaseoso. #ambi!n hay combustibles sólidos como el carbón de madera, el bagao de caa, la cáscara de maní, etc. En general, para combustibles líquidos y gaseosos, siempre se utilia un conjunto quemador integrado por tuberías donde se transporta y calienta el combustible, y posteriormente se realia la mecla del combustible con el aire, en condiciones adecuadas de temperatura y proporciones para asegurar una buena combustión. 8ara el caso de los combustibles sólidos, como el carbón de madera o el bagao de caa, se requieren bandas trasportadoras para conducir el combustible hasta el hogar, para ser quemado.
EFICIENCIA DE LAS CALDERAS 8ara obtener la eficiencia de la caldera, se pueden emplear dos m!todos de cálculo aprobados por el código )*:E *team Ienerating. 8o%er #est &odes H.4/, el m!todo indirecto m!todo de p!rdidas de energía/ y el m!todo directo m!todo de entradas y salidas/. A." M3+5+ $n5$2'c3+ :!todo de p!rdidas de energía/ Este m!todo consiste en la evaluación de las p!rdidas de energía en el generador de vapor, así como la cuantificación de la energía suministrada a !ste como son la energía del combustible y la energía de los cr!ditos. Jste es el m!todo recomendado. 8ara la aplicación del m!todo de p!rdidas de energía, se requiere determinar el total de p!rdidas de energía0 ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢
8or gases de combustión. 8or la humedad en el combustible. 8or formación de &K. 8or la combustión del hidrógeno. 8or la humedad del aire. 8or p!rdidas de incalculables.
T+3#% 5' 'n'2g7# =4' 'n32# # %# c#%5'2#: ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢
&r!ditos. &alor en el aire de entrada. &alor sensible en el combustible. &alor en el vapor de atomiación. &alor que entra con la humedad del aire. &alor que entra con el combustible.
La eficiencia se cuantifica mediante la siguiente e'presión0
E;$c$'nc$# > ( " 125$5#s ? @@ B." M3+5+ 5$2'c3+ :!todo de entradas y salidas/ Este m!todo consiste en la cuantificación de la energía suministrada a la caldera, y cuanta de esta energía es aprovechada para la generación de vapor. 8ara la aplicación del m!todo de entradas y salidas de energía se requiere determinar lo siguiente0 Ing. ( Msc ) Ismael V éliz
En'2g7# #12+'c#5# 'n '% #1+2 : •
epresenta la energía ganada por el vapor energía del vapor menos la energía del agua de alimentación/
T+3#% 5' 'n'2g7# =4' 'n32# # %# c#%5'2# : • • • • • •
&r!ditos. &alor en el aire de entrada. &alor sensible en el combustible. &alor en el vapor de atomiación. &alor que entra con la humedad del aire. &alor que entra con el combustible.
La eficiencia se cuantifica mediante la siguiente e'presión0
E;$c$'nc$# > ( #12+'c#5+ s4&$n$s32#5+ ? @@ Es decir, la eficiencia de las calderas está determinada por la siguiente ecuación0
En la tabla 4 se hace un comparativo de las eficiencias más representativas de acuerdo al tipo de caldera, la capacidad y el combustible usado. 8abla 1+ (iciencia 8ípica de Calderas
ANALISIS DE FALLAS EN LAS CALDERAS En las calderas es muy importante la detección de fallas, porque eso permite evitar y prevenir accidentes por causa de !stas. El análisis de fallas permite detectar a tiempo problemas en las calderas, tales como0 defectos de diseo, fabricación o ensamble de pieas( errores en los procedimientos establecidos para el mantenimiento y servicio de los equipos( malas rutinas de mantenimiento o abusos y descuidos durante la operación( por último ayuda a la selección y establecimiento de m!todos no destructivos como procedimientos de inspección de las diferentes partes de la caldera.
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) continuación se mencionan las causas más comunes de fallas en las calderas, así como los daos más frecuentes. 8abla 2+ Causas de (allas en las calderas+
8abla =+ #a7os más (recuentes en las calderas+
SISTEMA DE VAPOR "n sistema de vapor no es más que la circulación de vapor por una tubería o radiador como sucede en los sistemas de agua caliente. )l ocurrir condensación de vapor los radiadores transmiten su calor oculto. La circulación de vapor se realia con sistemas de una y dos tuberías, estas devuelven el agua formada por condensación a la caldera. Los principales sistemas de vapor son tres0 8or orificios de aireación, por vaporiación y sistemas de vacío o de bomba mecánica. E'iste otro de poca utiliación llamado sistema sub5 atmosf!rico. El vapor de agua tiene como propiedad el acumular una gran cantidad de energía, lo que lo hace ser un e'celente fluido trasmisor de calor, además de contener energía cin!tica de movimiento/, por lo que otra ventaja de producir vapor es que no requiere de bombeo, sino que fluye por sí mismo al punto de utiliación. 8or esto, es necesario contar desde la generación con un sistema de transporte líneas de vapor / que lo lleven hasta los equipos donde va a ser utiliado y, posteriormente, si el vapor no es meclado con algún producto o sea, que no est! contaminado/, se retornará su condensado para alimentar de nuevo al Ing. ( Msc ) Ismael V éliz
generador de vapor, claro, siempre reponiendo la cantidad de agua que se llegue a perder en el ciclo. "n sistema de generación y distribución vapor, tambi!n llamado circuito de vapor, es como el que se muestra en la figura, cuyas partes principales se describen a continuación0
S$s3'&# 5' #%$&'n3#c$n 32#3#&$'n3+ 5'% #g4# 1#2# %# c#%5'2#.
&onformado por equipo, tubería y accesorios que permiten el suministro del agua bajo condiciones adecuadas al sistema de vapor, mediante el uso del vapor(es decir, son aquellos equipos y operaciones que utilian el vapor. &asi la mitad de la energía usada en la industria se va a la producción de vapor de proceso. El vapor es un medio abundante, económico y efectivo para transferir calor.
4'+2's.
>ispositivos de la caldera, donde se lleva a cabo la reacción química del aire con el combustible fósil, para transformarse en calor, el mismo que posteriormente servirá para cambiar las propiedades del agua líquida a vapor.
G'n'2#5+2 5' #1+2
*e compone de la caldera 7ogar de la caldera / y sus equipos au'iliares. >ependiendo de las necesidades de vapor que demanden los procesos en una planta, puede ser no una sola caldera, sino un parque de calderas. 8roduce vapor a alta presión y por tanto a alta temperatura / requerido por los procesos. Es donde se inicia la transformación del agua en
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estado de saturación a vapor y donde se termina de realiar el proceso de combustión iniciado en el quemador, liberando el calor del combustible.
S$s3'&# 5' 5$s32$64c$n 5'% #1+2.
*erie de tubos denominados > cabe!ales y ramales de vapor > , que permite llevar el vapor a los puntos donde el proceso lo requiere, con la calidad y en la cantidad demandada. Esta compuesta por las Líneas de transferencia de vapor, las cuales son las encargadas de disstribuir el vapor a cada piea de los equipo. está integrado por las tuberías que transportan al vapor desde la generación hasta el usuario, se incluye los cabeales de distribución de vapor, así como otros elementos de control. En algunos procesos se requiere disminuir la temperatura, el vapor puede estrangularse a una presión inferior a trav!s de una válvula de regulación de presión, o mediante una turbina de contrapresión. El sistema de distribución de vapor permite llevar el vapor en la cantidad y calidad requerida por el proceso. En este sistema, es importante0 a/ &ontar con buenos procedimientos de operación b/ Kperar adecuadamente las trampas de vapor c/ :antener aisladas las tuberías, equipos y dispositivos d/ Evitar las fugas de vapor e/ :antener una presión de vapor adecuada
S$s3'&# 5' 2'3+2n+ 5' c+n5'ns#5+s.
*erie de tuberias , que regresan parte del agua que se ha condensado en el proceso. Esta agua, de gran valor por su purea, se retorna al sistema de generación de vapor con un previo tratamiento. Es muy recomendable la instalación de este sistema, ya que permite recuperar la mayor cantidad posible de condensados. Este sistema colecta el condensado del vapor tanto de las líneas de vapor como de los equipos que utilian el vapor, mediante #rampas de vapor localiadas en el equipo que permiten al condensado drenar hacia atrás a la línea de retorno, donde fluye al receptor del condensado. Las trampas de vapor tambi!n realian otras funciones, tales como ventear el aire del sistema en el arranque. )l sistema típico se aaden otros elementos tales como filtros, válvulas de control, y trampas de bombeo. En algunas plantas el condensado se libera sin recuperarse, desperdiciándose el potencial de recuperar la energía del condensado.
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO >e las calderas, donde se produce el vapor/, el vapor normalmente se dirige a un cabeal distribuidor de vapor, el cual distribuye el vapor a los diferentes procesos, operaciones o equipos que lo requieran. El vapor se transporta por una o varias líneas de distribución, de las cuales se desprenden ramales que alimentan a los equipos. El agua de reposición proviene de un sistema de tratamiento ablandador/ que elimina la durea del agua, entre otros elementos perjudiciales a la caldera. >urante la vaporiación y la condensación, si la presión se mantiene constante y tanto agua como vapor están presentes, la temperatura tambi!n queda constante. )demás, la temperatura únicamente se fija por la presión, que es un parámetro relativamente fácil de controlar, por lo que puede mantenerse un e'celente control de la temperatura de proceso. La conversión de un líquido a vapor absorbe grandes cantidades de calor en cada unidad de masa de agua. El vapor resultante es fácil de transportar, y debido a que es tan energ!tico, relativamente pequeas cantidades pueden mover grandes cantidades de calor. Esto Ing. ( Msc ) Ismael V éliz
significa que un sistema de bombeo y tuberías relativamente barato puede usarse en comparación con lo necesitado por otros medios de calentamiento. 1inalmente, el proceso de transferir calor por condensación, en la camisa de un recipiente con vapor caliente, por ejemplo, es e'tremadamente eficiente. 8ueden obtenerse altas tasas de transferencia de calor con equipos relativamente pequeos, ahorrando espacio y capital.
DIAGRAMA DE FLUO DEL SISTEMA DE GENERACIÓN DISTRIBUCIÓN DE VAPOR
PROBLEMAS ." ." l $enerador de vapor de una Planta Piloto produce ?50 k$ ) r de vapor de una calidad de ?@ A y una presi"n de 1?5 -Pa+ l a$ua de alimentaci"n del $enerador in$resa a =0°C+ l combustible empleado es #iesel & Poder Calori(icoi 4 20000 -cal ) -$ ' que se consume a ra!"n de /0 lts ) r+ Ballar a' Potencia & BP ' del mencionado $enerador b' endimiento del $enerador c' Di manteniendo su rendimiento y las características de la alimentaci"n se redu.era a la mitad el consumo de combustible, ECuál sería la calidad del vapor de salida
-." Una caldera de vapor produce vapor saturado seco a una presi"n absoluta de 21 bar partiendo de a$ua de aliment aci"n a @2,2 oC+ Calcular la potencia de la caldera necesaria para abastecer una turbina de 100 kF en el supuesto que necesite 1*,5 k$ por kFGora+
( S+%4c$n : @@, H 5' c#%5'2# /." Una caldera produce vapor de a$ua saturado seco a una presi"n absoluta de 1?,25 bar+ Ha variaci"n de entalpía del a$ua de alimentaci"n vale 595,?/ kcal ) k$+ ECuál es la temperatura del a$ua de alimentaci"n al entrar en la caldera+
( S+%4c$n : JK,8 C
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