01 Tema N° 01 - El Vapor y sus Aplicaciones

8/17/2019 01 Tema N° 01 - El Vapor y sus Aplicaciones

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Generaci n de Potencia Octubre 2014.

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIAUNIVERSIDAD POLITECNICA TERRITORIAL DEL NORTE DE MONAGAS “ LUDOVICO SILVA “DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECÁNICA.CÁTEDRA : GENERACION DE POTENCIAPROF,: Ing. ( Msc. ISMAEL V!LIZ.

E"M#$%: $s'%'%$)*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 dela humanidad. Esta situación se refleja en los costos de producción del vapor y, enconsecuencia, en la competitividad y sustentabilidad de la empresa.

El vapor de agua es un servicio muy común en la industria, que se utilia paraproporcionar 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 suconsumo, tendrán un gran impacto en la eficiencia total de la planta de generación. En elárea de la generación de energía, las invenciones más innovadoras fueron las relacionadasal uso del vapor. "na solución a todas estas demandas fue la invención de la máquina de

vapor desarrollada por #homas $e%comenLa importancia de las máquinas de vapor, atrajo a científicos como &arnot a fundar latermodinámica, las máquinas de vapor permitían una mejora en la e'plotación de minas( enla construcción ya que requería de mayores cantidades de hierro.

." FUNDAMENTOS DEL VAPOR

El vapor se refiere a la materia en estado gaseoso. )unque este no se limita al vaporgenerado por agua, muchos diferentes tipos de vapor e'isten en el mundo. *in embargo, elt!rmino + vapor + es más comúnmente usado para referirse al estado gaseoso del agua. Elvapor de agua resulta cuando esta es calentada hasta el punto de ebullición bajo una presiónconstante, 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, hautiliarse todos los días de manera dom!stica, como en el caso de hornos y limpiadores devapor. "no de los medios de transmisión de calor más usados en la industria es el vapor deagua, esto debido a la facilidad en su producción generación/ transporte y manejo, por ello,tambi!n es usado en la generación de energía el!ctrica. *in embargo, y a pesar de su fácilmanejo, su uso llega a presentar ineficiencias, que se traducen en un mayor consumo decombustible 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 susprincipales 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 dos características, hacen del vapor de agua un fluido muy manejable, ya quemediante su presión dinámica, !ste puede ser conducido con facilidad a grandes distancias,así como en flujos variables.

-." TIPOS DE VAPOR SUS APLICACIONESLas aplicaciones principales de vapor pueden ser a groso modo divididas en aplicaciones

de calentamiento 2 humidificación y en aplicaciones de impulso 2 motrices. dividiremos lostipos de vapor en categorías desde el punto de vista de las aplicaciones en las cuales esusado.3.45 6apor para &alentamiento 2 7umidificación

Ing. ( Msc ) Ismael V éliz


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3.4.45 6apor de 8resión 8ositiva3.4.3.5 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'imadamenteel ;< = 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 elagua/ y se manifiesta en un cambio en su temperatura. &ada ve que se incremente laenergía 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 darleenergía, 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 estadogaseoso. Las propiedades de este vapor varían enormemente dependiendo de lacombinación 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 aguaen la fase líquida como de agua en la fase gaseosa. En otras palabras, la tasa deevaporación es igual a la de condensación.

0.-." V#1+2 S+62'c#%'n3#5+: El vapor sobrecalentado es creado por medio delcalentamiento adicional del vapor saturado, produciendo vapor que cuenta con mayortemperatura 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 puntocrítico del agua( 33.


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es decir, es el agua que está más caliente a mayor presión en un estado indistinguible que nies 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 lasplantas de generación se pueden ver densas nubes de vapor. Esto sucede cuando latemperatura e'terior es baja y se genera más vapor de lo usual, lo que es un motivo depreocupación para las personas responsables del mantenimiento de las trampas de vapor.*e recomienda que las trampas fallando se reemplacen de inmediato. El vapor no solamentees 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


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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 entuberías, 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 detubería, el espesor óptimo de aislamiento. En la tabla $o. C se indica el efecto que produceun 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 devapor 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 $eneraci"n de potencia y en la cale(acci"n de espacios+ l vapor seobtiene a partir del a$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


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La capacidad de producción de vapor de un generador caldera/ se e'presa en 78 78caldera/ 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 absorbidopor hora tu2h, Dcal2h/ y, en algunas ocasiones en t!rminos de mega%atios :F / parageneradores de vapor de gran capacidad. En otros casos, la capacidad de la caldera see'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 yel que debería de transmitir de acuerdo con su superficie de calefacción a raón de G,HC<

Dcal 2 h 2 && ó de AA,C


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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 demayor 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 quepueden soportar altas presiones. Las calderas de este tipo son usadas inclusive en lageneración de energía el!ctrica. *e caracterian por trabajar a altas presiones, normalmentea 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 setransfiere el calor de la flama a las paredes del recipiente o tuberías que contienen alagua. En el hogar se encuentran los quemadores y es el lugar de mayor tem peraturaen la caldera.

H. *istema de alimentación de combustible( los equipos que se requieren se definen enfunción del tipo de combustible a quemar. )lgunos de los combustibles másconocidos2usados son el diesel y el bunDer, ambos en estado líquido y el gas L8 y elgas 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, paracombustibles líquidos y gaseosos, siempre se utilia un conjunto quemador integradopor tuberías donde se transporta y calienta el combustible, y posteriormente serealia la mecla del combustible con el aire, en condiciones adecuadas detemperatura y proporciones para asegurar una buena combustión. 8ara el caso delos combustibles sólidos, como el carbón de madera o el bagao de caa, serequieren bandas trasportadoras para conducir el combustible hasta elhogar, 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!todoindirecto m!todo de p!rdidas de energía/ y el m!todo directo m!todo de entradas ysalidas/.

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 delcombustible 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 dep!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 delm!todo de entradas y salidas de energía se requiere determinar lo siguiente0



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En'2g7# #12+'c#5# 'n '% #1+2 :

• epresenta la energía ganada por el vapor energía del vapor menos la energía delagua 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 altipo 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 yprevenir accidentes por causa de !stas. El análisis de fallas permite detectar a tiempoproblemas en las calderas, tales como0 defectos de diseo, fabricación o ensamble depieas( errores en los procedimientos establecidos para el mantenimiento y servicio de losequipos( malas rutinas de mantenimiento o abusos y descuidos durante la operación( porúltimo ayuda a la selección y establecimiento de m!todos no destructivos comoprocedimientos 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, asícomo 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 radiadorcomo sucede en los sistemas de agua caliente. )l ocurrir condensación de vapor losradiadores transmiten su calor oculto. La circulación de vapor se realia con sistemas de unay 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 sistemasde vacío o de bomba mecánica. E'iste otro de poca utiliación llamado sistema sub5atmosf!rico.

El vapor de agua tiene como propiedad el acumular una gran cantidad de energía, loque lo hace ser un e'celente fluido trasmisor de calor, además de contener energía cin!ticade 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 lageneración con un sistema de transporte líneas de vapor / que lo lleven hasta los equiposdonde va a ser utiliado y, posteriormente, si el vapor no es meclado con algún producto osea, que no est! contaminado/, se retornará su condensado para alimentar de nuevo al



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generador de vapor, claro, siempre reponiendo la cantidad de agua que se llegue a perderen el ciclo.

"n sistema de generación y distribución vapor, tambi!n llamado circuito de vapor, escomo 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 bajocondiciones adecuadas al sistema de vapor, mediante el uso del vapor(es decir, sonaquellos equipos y operaciones que utilian el vapor. &asi la mitad de la energía usada en laindustria 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 paracambiar 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 delas necesidades de vapor que demanden los procesos en una planta, puede ser no una solacaldera, sino un parque de calderas. 8roduce vapor a alta presión y por tanto a altatemperatura / 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 combustióniniciado 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 elvapor 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 quetransportan al vapor desde la generación hasta el usuario, se incluye los cabeales dedistribución de vapor, así como otros elementos de control. En algunos procesos se requieredisminuir la temperatura, el vapor puede estrangularse a una presión inferior a trav!s de unaválvula de regulación de presión, o mediante una turbina de contrapresión. El sistema dedistribución de vapor permite llevar el vapor en la cantidad y calidad requerida por elproceso. En este sistema, es importante0

a/ &ontar con buenos procedimientos de operaciónb/ Kperar adecuadamente las trampas de vaporc/ :antener aisladas las tuberías, equipos y dispositivosd/ 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 unprevio tratamiento. Es muy recomendable la instalación de este sistema, ya que permiterecuperar la mayor cantidad posible de condensados. Este sistema colecta el condensadodel 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 ala línea de retorno, donde fluye al receptor del condensado. Las trampas de vapor tambi!nrealian 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 debombeo. En algunas plantas el condensado se libera sin recuperarse, desperdiciándose elpotencial de recuperar la energía del condensado.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

>e las calderas, donde se produce el vapor/, el vapor normalmente se dirige a uncabeal 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 dedistribución, 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 tantoagua como vapor están presentes, la temperatura tambi!n queda constante. )demás, latemperatura únicamente se fija por la presión, que es un parámetro relativamente fácil decontrolar, 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 demasa 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



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significa que un sistema de bombeo y tuberías relativamente barato puede usarse encomparación con lo necesitado por otros medios de calentamiento.1inalmente, el proceso de transferir calor por condensación, en la camisa de un recipientecon vapor caliente, por ejemplo, es e'tremadamente eficiente. 8ueden obtenerse altas tasasde 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 calidadde ?@ 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 consumea 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$+ ECuál es latemperatura del a$ua de alimentaci"n al entrar en la caldera+ ( S+%4c$n : JK,8 C


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