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MÁQUINAS TÉRMICAS TECSUP
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IV EL GENERADOR DE VAPOR
4.1.- Generalidades
Los generadores de vapor o calderas comprenden todos aquellos recipientes a
presión en los cuales mediante la aplicación del calor producido por la oxidación de
un combustible o por gases residuales de un proceso industrial, se transforma el
agua contenida en él, en vapor de agua. Este último se utilizará después en
cualquier proceso industrial, generación de fuerza, calefacción en edificios,
hospitales, etc.
1. Definición de Caldera:
Esencialmente es un recipiente que contiene agua que por aplicación de calor va a
ser calentada y evaporada continuamente produciendo vapor.
2. Clasificación de las calderas
De acuerdo a como circulan los gases de combustión en la caldera pueden clasificar
en:
2.1 Calderos pirotubulares
En las calderas pirotubulares (tubos de fuego) los gases de combustión
circulan por el interior de los tubos, estando el exterior cubierto de agua. El calor es
transmitido por radiación y convección. En condiciones favorables de combustión la
eficiencia total obtenida es de 70%.
Los tubos pueden ser colocados: horizontal, vertical o inclinados.
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Entre los de tubos horizontales existen 3 diseños:
- De un solo pase con cámara de combustión externa.
- De tipo de caja de fuego (FIRE BOX) tanto los tubos como la cámara de
combustión están dentro del cuerpo cilíndrico del caldero.
- Tipo “locomovil” que en sus inicios se uso como caldera de locomotora y
posteriormente como caldera estacionaria.
Los modelos “locomovil” llegan a presiones de 350 psig y
capacidades de generación máxima de hasta 60 000 Lb/hr de vapor (1740 BHP).
Figura 4.1
Características
PRESIÓN DE TRABAJO: 15 a 250 psig ( 1 a 17 Kg/cm2) CAPACIDAD DE GENERACIÓN: 7,3 a 800 BHP (250 a 27 500 Lb/hr)
DIÁMETRO DE LOS TUBOS DE FUEGO 2”, 2 1/2”, 3” (diesel, residual, gas) 3”, 3 1/2”, 4” combinación de sólidos (carbón, bagazo, madera)
DIÁMETRO DEL CUERPO CILÍNDRICO: Varía entre 3 y 10 pies.
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El calentamiento pirotubular consiste en
calentar el agua por medio de tubos Sumergidos, en el que circulan los gases de
combustión. La cantidad de tubos debe ser tal que permita una buena área de
transferencia sin comprometer la capacidad del caldero
Figura 4.2
Principio de funcionamiento
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Figura 4.3
La necesidad de tener mas capacidad y presión en una caldera pirotubular implica el
aumento del diámetro y longitud del tambor y el espesor de los tubos, lo cual puede
hacerlo ineficiente, poco controlable y peligroso. Para estas necesidades aparece la
caldera acuotubular.
En las calderas acuotubulares los gases de combustión están en contacto con la
superficie exterior de los tubos, mientras que el agua y el vapor circulan en el interior
de los tubos.
Los combustibles utilizados pueden ser gaseosos, líquidos o sólidos.
Hay 2 diseños básicos:
La circulación de este tipo de caldera se inicia con el ingreso de agua de alimentación por la
parte inferior del domo o cuerpo cilíndrico. Luego desciende por el interior de los colectores
posteriores y sube por los tubos rectos inclinados, en ellos comienza a formarse el vapor. La
2.2 Calderos Acuotubulares
De tubos rectos
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mezcla vapor agua asciende por los colectores frontales induciendo una circulación hacia el
domo en donde se produce la separación entre el vapor y el agua.
Figura 4.4
CARACTERÍSTICAS:
Un Domo long. y dos domos inferiores.
De tubos curvos
CALDERA TIPO “A”
Caldera de domo longitudinal
PRESIÓN DE TRABAJO: 160 - 325 PSIG CAPACIDAD DE GENERACIÓN: 5000 – 8000 LB/HR
Caldera de domo transversal
PRESIÓN DE TRABAJO: 160 - 1450 PSIG CAPACIDAD DE GENERACIÓN: 5000 LB/HR- a más.
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Circulación de gases en dos pases.
Figura 4.5
3 domos transversales.
T° de vapor Saturado a 175 °F
Hogar: refractario, con paredes refrigeradas para carbón o petróleo.
Combustibles: Gas o petróleo, carbón bituminosos, bagazo o madera.
CALDERA STIRLING TIPO “H”
PRESIONES: 150 - 1000 PSIG. CAPACIDAD. 7000 – 250 000 LB/HR
PRESIONES: 160 - 450 PSIG CAPACIDAD: 10000 - 50000 LB/HR
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Figura 4.6
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Circulación Natural
Esta circulación se produce por la diferencia de peso entre la columna de agua fría y
la columna líquido / vapor. Esta fuerza debe vencer la resistencia de los tubos.
Las calderas de circulación natural solo son posibles para calderos con presiones
menores que la presión critica.
Circulación Forzada
Necesita elemento externo para producir la circulación del vapor por los tubos.
Trabaja en la vecindad del punto crítico.
Ventajas: Menor diámetro
Geometría flexible
Peso total de la caldera disminuye
Altura del caldero disminuye
Se controla la temperatura recirculando el gas.
Problemas: Depósitos de sólidos en los tubos
Depósitos en turbinas.
Disolución de óxidos
En temperaturas mas altas los sólidos son mas solubles en el agua
Aumentan perdidas de presión
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Tienen que tener agua de circulación en buenas condiciones
Figura 4.7
Figura 4.8
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5.0.- COMPONENTES BÁSICOS DE UNA CALDERA
1.0.- Quemador: Donde se produce la mezcla AIRE / COMBUSTIBLE e inicia la
combustión.
2.0.- Hogar o cámara de combustión: Lugar donde se produce la combustión. Aquí
la transferencia de calor se produce esencialmente por radiación.
3.0.- Sección de convección: Zona donde los gases de la combustión transfieren el
calor al agua a través de las paredes de los tubos
4.0.- Chimenea: Por donde se eliminan los gases de la combustión después de
haber cedido su calor al agua.
5.0.- Ventilador de aire: Proporciona el aire necesario para la combustión del
combustible.
6.0.- Accesorios de control y operación: Constituidos por el tablero de control, el
controlador de nivel de agua, el controlador de presión, el manómetro y las válvulas
de salida, purga, visores de llama, etc.
� Panel de control: Aquì se encuentran los dispositivos de mando y control del
quemador y bomba de combustible.
� Controlador de nivel de agua: Indica el nivel de agua y gobierna el
funcionamiento de la bomba de agua para mantener dicho nivel entre límites
adecuados.
� Controlador de presión (PRESÓSTATO): Controla la presión del vapor en la
caldera a través del quemador al que ordena se encienda si la presión es
baja ó apague cuando la presión alcanza el valor máximo (gobierna al
quemador).
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� Válvulas de salida de vapor, seguridad, de purga: La válvula de
seguridad,regulada a una presión ligeramente mayor a la presión de trabajo,
permite la evacuación del vapor en el supuesto que los elementos de control
fallen.Durante la operación de la caldera,las válvulas de purga permiten
eliminar los lodos acumulados en el fondo (mediante la purga de fondo),los
sólidos en suspensión y espuma que flota en el agua (mediante la purga de
nivel).
� Manómetro principal: Indica la presión del vapor.
7.0.- Bomba de alimentación: Suministra el agua a la caldera.
8.0.- Equipos auxiliares: Las calderas medianas y grandes están equipadas con
equipos auxiliares destinados a mejorar el aprovechamiento del calor y por
consiguiente la eficiencia de la caldera.
� Precalentador de aire: Aprovecha el calor de los humos que abandonan la
caldera para calentar el aire empleado en la combustión.
� Precalentador de agua: ECONOMIZADOR. Aprovecha el calor de los humos
que abandonan la caldera para calentar el agua de alimentación.
� Recalentador de vapor: Equipo empleado para producir vapor recalentado a
partir del vapor saturado previamente separado de la cámara de agua / vapor.
4. Componentes
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Los calderos en general deben presentar necesariamente los siguientes
Figura 4.9
componentes para que puedan operar como tales:
1. Casco de plancha rolada (pirotubular) o uno o mas tambores cilíndricos o
domos (acuotubular)
2. Conjunto cámara de combustión.
3. Sistema de combustión: Liquido, gaseoso o sólido mixto.
4. Ventiladores o sopladores para el aire de combustión, tuberías y ductos.
5. Sistema de agua de alimentación: tanque de agua condensada o tratada; una o
dos bombas de alimentación; sistema de regulación de agua.
Además de ello, de acuerdo al grado de complejidad del caldero, éste puede
contar con los siguientes elementos para mejorar su eficiencia de generación:
Separadores de vapor
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Disminuyen o minimiza el arrastre es decir el paso de agua o impurezas con la salida
de vapor.
Sistema de baffles y tubo secador.
- Los baffles propician el cambio brusco de dirección del flujo de vapor para la
separación del agua.
- No es muy efectivo para pequeñas calderas, tampoco para unidades de gran
capacidad de generación de vapor.
- No recomendable cuando se desea alta pureza a la salida del vapor.
Separador de ciclones.
- Es la fuerza centrifuga la que separa el agua y las impurezas del vapor en
una etapa primaria donde un arreglo de placas corrugadas es colocado encima de
cada ciclón.
- Antes de la salida del vapor, un sistema de placas separadoras vuelve a
retirar el agua, haciendo el vapor más puro.
- La combinación del separador de ciclones y scrubbers (placas separadoras)
provee el recurso de obtener vapor puro con menos de 1 ppm. de sólidos dentro de
un vasto rango de operación. Pureza generalmente adecuada en la practica
comercial.
- Un vapor calentado sobre la temperatura de Sobrecalentadores
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saturación se denomina "sobrecalentado" y contiene más energía que el vapor
saturado a la misma presión. Esto se logra con el uso de sobrecalentadores.
- La transferencia de calor en un sobrecalentador es por convección, radiación
o la combinación de ambas.
- El sobrecalentador por convección se ubica donde los gases de combustión
fluyen en cambio una sobrecalentador por radiación es localizado cerca del horno
donde recibe la mayor parte del calor por radiación.
- Un sobrecalentador convencional utiliza dos headers (colectores, cámaras
de circulación o cabezas de agua) a los cuales se sueldan o rolan tubos sin costura.
- La dificultad en mantener una temperatura uniforme a la salida del vapor
hace que comúnmente se instale una combinación de ambos, donde un bypass
regula el paso de los gases por la sección de convección para regular la temperatura
de salida.
- Los tubos sobrecalentadores varían entre 1" y 3" de diámetro y trabajan
hasta una temperatura de 1050 ºF o 565 ºC.
- El vapor sobrecalentado ofrece muchas ventajas:
a) Puede ser transmitido a grandes distancias con poca perdida de
calor.
b) La condensación es reducida o eliminada.
c) El vapor sobrecalentado contiene gran energía por lo que menos
vapor es requerido.
d) La erosión en las paletas de la turbina es reducida por ausencia de
humedad.
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Figura: 4.10
Equipo de recuperación de calor
- En el balance de un caldero, la pérdida más grande resulta del calor perdido
en la salida de los gases de combustión. Si queremos obtener mas eficiencia,
debemos reducir estas perdidas de calor al mínimo.
Sobrecalentador combinado
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- Esto se puede lograr instalando economizadores y precalentadores, donde
la inversión de la instalación debe estar en relación a los beneficios y costos de
mantenimiento.
- Es un intercambiador de calor localizado en el paso de los gases entre
el caldero y la chimenea.
- Diseñada para recuperar algo del calor de los productos de combustión
consiste en una serie de tubos a través de los cuales fluye el agua en su camino al
caldero.
- Puede ser de flujo paralelo, contraflujo o combinación de ambos, siendo el
sistema a contraflujo es más eficiente.
- El rango de los tubos es de 1" a 2" de diámetro.
- La relación entre el área de transferencia del caldero y el economizador es
de 2:1.
- El tamaño del economizador a ser instalado depende de muchos factores
tales como: costo, espacio disponible, tipo de combustible y si va o no a ser
instalado un precalentador de aire.
- Cuando ambos: precalentador y economizador son instalados, debe
preveerse que los gases no se enfríen por debajo de su punto de rocío.
El economizador
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Figura 4.11
El calor en los gases que dejan el
caldero o el economizador es recuperado por el aire ingresante, reduciendo la
temperatura de los gases y aumentando la eficiencia del proceso
Consiste en placas o tubos conteniendo gases calientes de un lado y aire del otro.
- Existen 2 tipos de precalentadores el tubular y el regenerativo.
- El tubular consiste en una serie de tubos por los cuales pasan los gases de
combustión y alrededor de los cuales circula aire.
- El precalentador de aire regenerativo transfiere calor de los gases de
combustión al aire a través de una superficie en un rotor que gira continuamente a
través del gas y el aire a baja velocidad (1 a 3 rpm.).
. El precalentador de aire
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Figura 4.12
- El aire precalentado puede lograrse hasta 350 ºF o 175 ºC.
- El punto de rocío a evitarse de los gases de combustión es
aproximadamente 120 ºF o 49 ºC
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- El uso de precalentador de aire aumenta la eficiencia en 2 a 10%.
- Facilita la combustión de combustibles de baja calidad.
- Acelera la combustión, por la rápida ignición del combustible.
- El aire precalentado permite disminuir el exceso de aire.
- En plantas modernas las típicas eficiencias se obtienen como siguen:
Eficiencia del caldero: 74%.
Eficiencia del caldero y economizador: 88%.
Eficiencia del caldero economizador y precalentador: 88%.
- Debido a que las paredes refractarias no respondían a las severas
condiciones de servicio, se introdujeron las “paredes de agua” aun para pequeñas
unidades, esto redujo el excesivo mantenimiento e incluso aumentaron la capacidad
de generación para un tamaño de horno dado.
- Las paredes de agua incrementan el área de calentamiento y con la
eliminación del mantenimiento del refractario se aumentó la disponibilidad del
caldero.
- La cantidad de agua de enfriamiento esta determinada en parte por las
condiciones de combustión ya que un excesivo enfriamiento reduce la estabilidad de
la ignición y disminuye la eficiencia de la combustión. Es por esta razón que algunos
hornos son parcialmente enfriados por agua o algunas paredes de agua
parcialmente aisladas.
Diseño del horno
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- Varios tipos de arreglos de las paredes de agua son utilizados. La elección
esta determinada por la capacidad individual, la conductividad del calor y
Figura 4.12
Figura 4.13
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por las variadas condiciones a que ellas están expuestas en diferentes partes del
horno.
Los bloques pueden estar alisados o rugosos, de metal puro o tarrajeado con
refractario. Dependiendo de los coeficientes de transferencia de calor conocidos, los
bloque son aplicados a limitar la salida de calor en los tubos en razón de prevenir
sobrecalentamientos y otros problemas.
- El mantenimiento del correcto nivel del agua en el caldero es
responsabilidad del operador. Los tubos de vidrio pueden ser instalados para indicar
el nivel de agua en el caldero.
- Debe ser colocado en un lugar de fácil acceso y observación para su
inspección y reparación.
- El mantenimiento del agua al nivel requerido evita el sobrecalentamiento en
las áreas del caldero.
- La llave de prueba (try cock) es utilizada para chequear el nivel del agua
cuando el tubo de vidrio esta roto o fuera de servicio; por eso aparte del tubo de
vidrio un caldero debe tener de tres a mas try cocks localizados a lo largo de la zona
Visible del agua en el tubo de vidrio.
4.2. Accesorios del caldero
1 Columnas de agua
2 Fusible Plug
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- Los fusible plug son utilizados para dar protección contra el bajo nivel de agua y
el consecuente peligro en el caldero.
- Esta hecho de latón o bronce con un agujero cónico dentro de el y llenado con
estaño (u otro metal de bajo punto de fusión) aprox 450 ºF.
Figura 4.14
Figura 4.15
- Esta localizado mas bajo que el punto mínimo permisible del nivel de agua.
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- Un lado del fusible esta expuesto a los gases calientes y solo el enfriamiento del
agua del otro lado permite que el plug se mantenga sin fundirse. La presión liberada
podría hacer sonar una alarma que prevenga al operador del bajo nivel de agua.
- El plug puede ser solamente reemplazable cuando el caldero esta fuera de
servicio, enfriado y desaguado.
Las válvulas son utilizadas para el control del flujo de agua al caldero
y flujo del vapor del caldero a la línea principal de vapor (header). El cuerpo de la
válvula puede ser roscado, embridado e inclusive soldado (calderos de alta presión).
Los principales tipos de válvula utilizados son:
Válvula de seguridad
- Permite mantener al caldero a una máxima presión de operación para evitar
peligro de explosión.
- Ningún tipo de válvula debe estar colocado entre la válvula de seguridad y el
caldero ni tampoco entre la válvula de seguridad y la atmósfera.
- Algunas normas para el diseño, instalación y seguridad se describen a
continuación:
Cada caldero debe tener al menos una válvula de seguridad. Si la superficie de
calentamiento sobrepasa los 500 pies2, se deben instalar dos o mas válvulas de
seguridad.
La válvula de seguridad debe tener la suficiente capacidad para desalojar todo el
vapor necesario para que el caldero no sobrepase la presión máxima permitida de
trabajo.
3 Válvulas
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Las normas ASME indican el numero de válvulas a usar así como su medida y
ajuste.
Cuando dos válvulas de seguridad de diferentes medidas son instaladas, la
capacidad de descarga de la mas pequeña no debe ser menor que el 50% de la mas
grande.
- La diferencia entre la presión de apertura y cierre es conocido como “blowback” o
“blowdown” y varia de 2 psi a 8 psi pero no mayor del 4% de la presión de
activamiento.
- La tolerancia mas comúnmente utilizada no debe sobrepasar lo sgte.:
-2 psi para presiones de 70 psi.
-3% para presiones de 71 a 300 psi.
-10 psi para presiones de 301 a 1000 psi
-1% para presiones sobre 1000 psi.
Figura 4.16
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Válvula de globo
- Utilizada cuando el flujo es interrumpido o restringido.
- Se utiliza en la tubería de alimentación de agua donde la entrada debe ser
por debajo del disco.
- No interrumpen rápidamente el flujo.
- Partes y piezas fácilmente reemplazables.
a) Incrementa la resistencia del flujo.
b) Se requiere mas fuerza para cerrar la válvula debido a la mayor presión
debajo del disco.
c) existe la posibilidad que elementos extraños (externos) puedan obstruir la
válvula.
Válvula de Compuerta
- Como su nombre lo indica consiste en una compuerta que sube y baja
interrumpiendo el paso del flujo.
- La compuerta forma ángulo recto con el flujo y se desplaza sobre una guía
que le permite mantener una correcta posición vertical.
- La compuerta tiene forma de cuña que le permite ajustarse a las guías
cuando está completamente cerrada.
- Se le utiliza principalmente donde la válvula va a ser operada totalmente
abierta o cerrada.
- Totalmente abierta la válvula ofrece muy poca resistencia al flujo y
consecuentemente la caída de presión a través de la válvula es minimizada.
Desventajas:
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- La presión actúa a un lado de la compuerta y requiere considerable fuerza
de operación, al menos para las válvulas más grandes.
- Es de difícil reparación una vez que los asientos han sido dañados.
Válvula Check
- Es una modificación de la válvula de globo pero sin retorno.
- Diseñado usualmente para cierre por gravedad, el flujo es dirigido por debajo
de la válvula levantándola de su asiento, si el flujo regresa, la gravedad mas la
presión sobre la válvula la cierran.
- Se utiliza cuando se quiere que el flujo tenga solamente una dirección. Uno
de sus principales usos de esta válvula es en la línea de alimentación de agua al
caldero.
Las válvulas utilizadas para la salida de los gases deben ser válvulas de
parada y si la tubería s mas de 2” de diametro., la válvula debe ser del tipo yugo con
tornillo externo.
Además cuando dos o mas calderas están conectadas a un header común,
debe haber una válvula check en el caldero y una válvula de yugo en el header.
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Figura 4.17
Normalmente equipado con dos válvulas; una de check y otra de parada, la ultima
localizada lo mas cerca del caldero.
La alimentación debe hacerse en la parte mas fría | tubería interna debe
descargar directamente en alguna parte de la superficie de calentamiento.
Figura 4.18
Tubería de alimentación de agua
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Tubería de drenaje y descarga
El agua de alimentación del caldero contiene impurezas que pueden
disolverse o suspenderse; estos quedan dentro del caldero cuando el vapor deja el
caldero.
La tubería de drenaje debe estar localizada en la parte mas baja del caldero
para que toda el agua pueda ser desalojada.
También puede instalarse de manera que la entrada a la tubería de descarga
pueda mantenerse a la altura del nivel de agua mediante un sistema de flotador,
para poder desalojar las impurezas de la superficie (aceite y otros) con un diámetro
máximo debe ser de 2 1/2”.
El agua en la descarga puede ser controlada por una válvula de control de
flujo tipo orificio equipado con un indicador. Cuando la descarga se hace lenta y en
un largo periodo de tiempo, se reduce la concentración de impurezas.
La descarga continua requiere de un tanque donde la alta presión de agua puede
producir vapor a baja presión que puede aprovecharse en procesos de
calentamiento del agua de alimentación. Además si es requerido, una pequeña
porción de agua puede ser utilizada en la línea de alimentación de agua para elevar
su PH y eliminar la corrosión del economizador.
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Figura 4.20
- Permite mantener el agua de alimentación constante.
- Un regulador automático provee seguridad y economía a la operación y
minimiza el peligro de bajo o alto nivel de agua.
- Los reguladores mas sofisticados controlan la entrada del flujo de agua con
sensores de presión y temperatura de acuerdo al ajuste necesario en función de los
parámetros del caldero.
Regulador del agua de alimentación.-
Regulador del agua de alimentación por simple control de nivel.
a. Reguladores tipo flotador.
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- Todos los calderos deben tener al menos un medidor de presión el cual debe
tener una graduación de al menos 1 ½ veces la máxima presión permitida de
operación.
Debe estar conectado en el espacio donde se aloja el vapor, sobre el nivel del agua
de tal manera que pueda ser observado con facilidad por el operador.
Figura 4.21
Control de la presión del vapor.-