APLICACIONES EN LA INDUSTRIA

La generación de vapor se realiza en instalaciones generadoras comúnmente denominadas calderas.

La instalación comprende no sólo la caldera propiamente dicha, sino, además, componentes principales y accesorios tales como:

Economizadores y chimeneas. Sobrecalentadores y recalentadores. Quemadores y alimentadores de aire. Condensadores. Bombas y tanques de alimentación. Domos.

En la caldera propiamente dicha se produce el calentamiento, la evaporación y posiblemente el recalentamiento y sobrecalentamiento del vapor. La caldera puede incluir en sus estructuras algunas de los componentes citados.

Las calderas se pueden clasificar según:

a) El pasaje de fluidos, en humotubulares o acuotubulares.b) El movimiento del agua, de circulación natural o circulación forzada.c) La presión de operación, en subcríticas y supercríticas.

Las aplicaciones de vapor van de acuerdo al uso que se requiera en la industria; entre los más importantes tenemos:

Vapor de Presión Positiva

El vapor generalmente es producido y distribuido en una presión positiva. En la mayoría de los casos, esto significa que es suministrado a los equipos en presiones mayores a 0 MPaG (0 psig) y a temperaturas mayores de 100°C (212°F).

Las aplicaciones de calentamiento para vapor a presión positiva se pueden encontrar en plantas procesadoras de alimentos, plantas químicas, y refinerías solo por nombrar algunas. El vapor saturado es utilizado como la fuente de calentamiento para fluido de proceso en intercambiadores de calor, reactores, reboilers, precalentadores de aire de combustión, y otros tipos de equipos de transferencia de calor.

En un intercambiador de calor, el vapor eleva la temperatura del producto por transferencia de calor, el cual después se convierte en condensado y es descargado a través de una trampa de vapor.

Vapor sobrecalentado entre 200 – 800°C (392 - 1472°F) a presión atmosférica es particularmente fácil de manejar, y es usado en los hornos domésticos de vapor vistos hoy en día en el mercado.

Vapor al Vacío

El uso de vapor para el calentamiento a temperaturas por debajo de 100°C (212°F), tradicionalmente el rango de temperatura en el cual se utiliza agua caliente, ha crecido rápidamente en los últimos años.

Cuando vapor saturado al vacío es utilizado en la misma forma que el vapor saturado a presión positiva, la temperatura del vapor puede ser cambiada rápidamente con solo ajustar la presión, haciendo posible el controlar la temperatura de manera más precisa que las aplicaciones que usan agua caliente. Sin embargo, en conjunto con el equipo se debe utilizar una bomba de vacío, debido a que el solo reducir la presión no lo hará por debajo de la presión atmosférica.

Comparado con un sistema de calentamiento de agua caliente, este sistema ofrece rapidez, calentamiento balanceado. Se alcanza rápidamente la temperatura deseada sin ocasionar un desbalance en la temperatura en sí.

Vapor para Impulso/Movimiento

El vapor se usa regularmente para propulsión (así como fuerza motriz) en aplicaciones tales como turbinas de vapor. La turbina de vapor es un equipo esencial para la generación de electricidad en plantas termoeléctricas. En un esfuerzo por mejorar la eficiencia, se han realizado progresos orientados al uso del vapor a presiones y temperaturas aun mayores. Existen algunas plantas termoeléctricas que utilizan vapor sobrecalentado a 25 MPa abs (3625 psia), 610°C (1130°F), presión supercrítica en sus turbinas.

Generalmente el vapor sobrecalentado se usa en las turbinas de vapor para prevenir daños al equipo causados por la entrada de condensado. Sin embargo, en ciertos tipos de plantas nucleares, el uso de vapor a lata temperatura se debe de evitar, ya que podría ocasionar daños al material usado en las turbinas. Se utiliza en su lugar vapor saturado a alta presión. En donde se usa vapor saturado, generalmente se instalan separadores en la línea de suministro de vapor para remover el condensado del flujo de vapor.

Además de la generación de energía, otras aplicaciones típicas de impulso/movimiento son los compresores movidos por turbinas o las bombas, ej. Compresor de gas, bombas para las torres de enfriamiento, etc.

La fuerza motriz del vapor ocasiona que los alabes giren, lo que ocasiona rote el rotor que se encuentra acoplado al generador de energía, y esta rotación genera la electricidad.

Vapor como Fluido Motriz

El vapor puede ser usado de igual manera como una fuerza “motriz” para mover flujos de líquido o gas en una tubería. Los eyectores de vapor son usados para crear el vacío en equipos de proceso tales como las torres de destilación que son utilizadas para purificar y separar flujos de procesos. Los eyectores también pueden ser utilizados para la remoción continua del aire de los condensadores de superficie, esto para mantener una presión de vacío deseada en las turbinas de condensación (vacío).

Vapor motriz de alta presión entra el eyector a través de la tobera de entrada y es distribuido. Esto genera una zona de baja presión la cual arrastra aire del condensador de superficie.

En un tipo similar de aplicación, el vapor también es el fluido motriz primario para los drenadores de presión secundaria, los cuales son usados para bombear el condensado de tanques receptores ventilados, tanques de flasheo, o equipos de vapor que experimentan condiciones de Stall (inundación).

Vapor para Atomización

La atomización de vapor es un proceso en donde el vapor es usado para separar mecánicamente un fluido. Por ejemplo, en algunos quemadores, el vapor es inyectado en el combustible para maximizar la eficiencia de combustión y minimizar la producción de hidrocarbonos (hollín). Calderas y generadores de vapor que utilizan combustible de petróleo utilizaran este método para romper el aceite viscoso en pequeñas gotas para permitir una combustión más eficiente. También los quemadores (elevados) comúnmente utilizaran la atomización de vapor para reducir los contaminantes a la salida.

En quemadores, generalmente el vapor es mezclado en el gas de desperdicio antes de la combustión.

Vapor para Limpieza

El vapor es usado para limpiar un gran rango de superficies. Un ejemplo de la industria es el uso del vapor en los sopladores de hollín. Las calderas que usan carbón o petróleo como fuente de combustible deben estar equipadas con sopladores de hollín para una limpieza cíclica de las paredes del horno y remover los depósitos de la combustión de las superficies de convención para mantener la eficiencia, capacidad y confiabilidad de la caldera.

El vapor liberado fuera de la tobera del soplador de hollín desaloja la ceniza y suciedad seca, la cual caerá en las tolvas o será arrastrado y expulsado con los gases de combustión.

Vapor para Hidratación

Algunas veces el vapor es usado para hidratar el proceso mientras se suministra calor al mismo tiempo. Por ejemplo, el vapor es utilizado para la hidratación en la producción del papel, así

que ese papel que se mueve en los rollos a gran velocidad no sufra rupturas microscópicas. Otro ejemplo son los molinos de bolitas. Continuamente los molinos que producen las bolitas de alimento para animales utilizan inyección-directa de vapor tanto para calentar como para proporcionar contenido de agua adicional al que es suministrado en la sección de acondicionamiento del molino.

La hidratación del alimento lo suaviza y gelatiniza parcialmente el almidón contenido en los ingredientes, resultando en bolitas más firmes.

Vapor para Humidificación

Muchas grandes instalaciones industriales y comerciales, especialmente en climas más fríos, utilizan vapor saturado a baja presión como la fuente de calor predominante para calentamiento interior estacional. Las bobinas HVAC, normalmente combinadas con humidificadores de vapor, son el equipo usado para el acondicionamiento del aire, para confort interno, preservación de registros y libros, y de control de infecciones. Cuando se calienta el aire frío por las bobinas de vapor, la humedad relativa del aire gotea, y entonces deberá ser ajustada a los niveles normales en adiciona una inyección controlada de vapor seco saturado en la línea inferior del flujo de aire.

El vapor usado para humidificar el aire dentro de un conducto de aire antes de ser distribuido hacia otras áreas de un edificio.

LOS PRINCIPALES GENERADORES DE VAPOR MÁS UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA SON:

Generador de vapor de contacto directo

La configuración de un generador de vapor de contacto directo fue propuesta por Schirmer y Eson (1985). La configuración propuesta para estos generadores consta de cuatro partes principales: el atomizador, la cámara de combustión, el mezclador y el vaporizador.

El atomizador es un pequeño dispositivo que sirve para que el combustible se reduzca a partículas muy pequeñas con el fin de facilitar la combustión. En la cámara de combustión ocurre la reacción química entre el combustible y el aire, dando origen a los gases de combustión. Estos gases llegan al mezclador, donde el agua se distribuye uniformemente en los gases calientes producidos. Finalmente, en el vaporizador, ocurre la evaporación del agua gracias a la energía generada.

Este proceso de generación puede verse en forma esquemática en la figura 1.

Figura 1. Generador de vapor de contacto directo

Generadores de vapor de contacto indirecto.

La configuración de un generador de vapor de contacto indirecto se muestra en la figura 2, esta configuración fue propuesta por la empresa Sandia National Laboratories, compañía norteamericana que fue la iniciadora del desarrollo de estas tecnologías de generación de vapor (Nguyen, Singh y Wong, 1988).

Figura 2. Generador de vapor de contacto indirecto

El generador es alimentado con combustible y aire, a través de dos tuberías que llegan hasta la cámara de combustión, donde se produce la reacción química que libera la energía necesaria para la evaporación del agua, que a su vez es bombeada al equipo por medio de otra tubería, que lo conduce a través de la región externa de la cámara de combustión, que actúa como un intercambiador de calor, haciendo que ocurra la evaporación del agua gracias al calor de los gases de combustión. Finalmente, los gases de combustión salen por el exhosto, ubicado en la parte superior del generador, y son dirigidos a la superficie mientras que el vapor sale por la parte inferior del equipo.

Generadores eléctricos

Como se vio anteriormente, los generadores de vapor en fondo que emplean combustión presentan grandes desventajas en cuanto a su instalación, manejo y funcionamiento, dificultades que pueden llegar a ser resueltas con la implementación de un generador de tipo eléctrico, debido a la mayor simplicidad que presentan la instalación de estos equipos, puesto que sólo precisan de una tubería para la conducción de agua y de un cable para la corriente eléctrica.

Debe considerarse también, que los generadores eléctricos no emiten gases que puedan llegar a generar impacto sobre el medio ambiente, por lo que la alternativa de generación de vapor a partir de electricidad se torna muy llamativa para la industria.

Un generador eléctrico de vapor en fondo está constituido principalmente por una carcasa (cuya longitud depende directamente de la cantidad de vapor que puede ser generado), un cable, dos electrodos y dos tuberías.

El funcionamiento del generador es sencillo: el agua es bombeada a través de una tubería hasta la carcasa en la cual se encuentran los electrodos, que generan el calor necesario para que se produzca la evaporación del agua; finalmente, el vapor sale del equipo por medio de una tubería que lo conduce hasta la formación de interés.

En la figura 3 se puede apreciarse un esquema de la configuración interna de un generador eléctrico y del recorrido que realizan los fluidos en su interior.

Figura 3. Esquema de la configuración interna del generador eléctrico

Para reducir las pérdidas de calor que pueden presentarse se pueden tomar algunas medidas. En cuanto a la configuración del equipo, la carcasa puede ser revestida internamente con un material aislante, como por ejemplo una resina fenólica, lo cual impide el flujo de calor hacia fuera del generador. Además, pueden emplearse tuberías aisladas térmicamente en la sarta que conduce el vapor hasta el yacimiento, lo cual puede ser económicamente viable debido a que la longitud de esta sarta generalmente es de menos de quinientos pies.