Módulo De Suministro De Vapor.docx

Módulo de suministro de vapor 1. Objetivos 

Conocer la generación de vapor de agua a altas temperaturas, mediante el uso de calderas industriales.

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Conocer los diferentes instrumentos que se usan en esta área usando propiedades termodinámicas.

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Distinguir los componentes que figuran en una caldera y los distintos equipos a los cuales alimenta el módulo.

2. Marco teórico Vapor de agua El vapor de agua se define como agua en estado gaseoso la cual es empleada para generar y transmitir energía en muchas actividades domésticas y procesos industriales. El vapor de agua tiene infinitas aplicaciones, desde procesos muy simples hasta el uso en procesos bastante complejos e importantes. El vapor de agua también se sigue usando mucho para la calefacción de edificios, y sirve para propulsar a la mayoría de los barcos comerciales del mundo. El punto de ebullición del agua a la presión correspondiente al nivel del mar, es decir, 101.3 KPa es de unos 100 °C. A esta temperatura, la adición de 226 Jouls de calor por kilogramo de agua convierte a esta en vapor a la misma temperatura. Cuando el agua está sometida a una presión mayor, el punto de ebullición crece progresivamente de acuerdo a la ley de Boyle – Mariotte hasta que, a una presión de 222.1 KPa, hierve a una temperatura de 374.15 °C. Esta combinación de temperatura y presión se denomina punto crítico. Por encima del mismo no existe diferencia entre el agua en estado líquido y el vapor de agua. Cuando el vapor se encuentra exactamente en el punto de ebullición que corresponde a la presión existente se lo denomina vapor saturado. Si se calienta el vapor por encima de esta temperatura se produce el llamado vapor sobrecalentado. El sobrecalentamiento también se produce cuando se comprime el vapor saturado o se estrangula haciéndolo pasar por una válvula situada entre un recipiente de alta presión y otro de baja presión. El estrangulamiento hace que la temperatura del vapor caiga ligeramente, pero a pesar de ello su temperatura es superior a la del vapor saturado a la presión correspondiente. En los sistemas modernos de generación de energía eléctrica suele emplearse vapor en este estado sobrecalentado. 1

Figura 01. Generación del vapor de agua Diferencias entre vapor saturado y sobrecalentado a) Zona de vapor sobrecalentado: En esta zona se separan las isóbaras de las isotérmicas. Además de la información obvia que se extrae directamente del diagrama (entalpía y entropía en un punto), se puede además obtener información adicional. b) Calor específico a presión constante: En la zona de vapor sobrecalentado la pendiente de la isóbara está relacionada con Cp, por lo tanto si uno supone sobrecalentamiento isobárico se tiene que dQ = dH para un valor de T razonable. c) Calor específico a volumen constante: Si en el diagrama de Mollier aparecen la isócoras también es posible obtener los valores de Cven diferentes partes de la zona de vapor sobrecalentado usando un método análogo al anterior. Importancia del vapor Se puede decir que la máquina alternativa de vapor representa el tipo de máquina térmica más antigua, dado que sus primeros antecedentes datan de los primeros años del 1700. A pesar de su antigüedad, esta máquina constituye el antecedente de aquellas usadas hoy en día como turbinas de vapor en las centrales termoeléctricas convencionales. Vapor como fuente de energía El vapor jugo un papel importante en la revolución industrial. La modernización del motor de vapor a principios del siglo 18 llevo a mayores descubrimientos tales como la invención de la locomotora de vapor y el barco a vapor, por no mencionar el horno y el martillo de vapor. Este último sin hacer referencia Golpe de Ariete, el cual se puede presentar en la tubería de vapor, si más bien a un martillo impulsado por vapor que se utilizaba para dar forma a fundiciones. Hoy en día, sin embargo, los motores de combustión interna y la electricidad prácticamente han remplazado al vapor como fuente de energía. Sin embargo, el 2

vapor es ampliamente usado en las plantas de generación eléctrica y para aplicaciones industriales de gran tamaño. Vapor como fuente de calor El vapor es mayormente conocido por sus aplicaciones en calentamiento, fungiendo tanto como fuente directa e indirecta de calor. a) Calentamiento directo de vapor: El método de calentamiento directo de vapor se refiere al proceso en el cual el vapor está en contacto directo con el producto que está siendo calentado. El principio detrás de la vaporización de la comida es aquella en la cual se permite que el vapor entre en contacto directo con el producto a ser calentado, el calor latente del vapor puede ser transferido a la comida directamente, y las gotas de agua formadas por la condensación pueden suministrar hidratación. En la industria, el método de calentamiento directo de vapor generalmente es usado para cocinar, esterilización, vulcanización y otros procesos. b) Calentamiento indirecto de vapor: El calentamiento indirecto de vapor se refiere a los procesos en donde el vapor no entra en contacto directo con el producto a calentar. Es ampliamente utilizado en la industria ya que provee un calentamiento rápido y parejo. Este método generalmente utiliza un intercambiador de calor para calentar el producto.

Figura 02. Calentamiento indirecto de vapor La ventaja que ofrece este método sobre el calentamiento directo de vapor es que las gotas de agua formadas durante el calentamiento no afectaran al producto. Por lo tanto el vapor puede ser usado en una variedad de aplicaciones tales como secado, derretimiento, hervimiento, etc. 3

El calentamiento indirecto de vapor es usado en un gran rango de procesos como la preparación de alimentos y bebidas, neumáticos, papel, cartón, combustibles como la gasolina y para medicina por solo nombrar algunos. 3. Materiales y equipo

Figura 03. Módulo de suministro de vapor 4. Descripción de la experiencia En la práctica se vio el funcionamiento de un módulo de suministro de vapor que estaba compuesto por los siguientes submódulos:      

Tratamiento del agua de ingreso a las calderas Caldera de generación de vapor Manifold distribuidor de vapor Módulo de trampas de vapor Intercambiador indirecto horizontal de calor Intercambiador de placas de calor

El primer paso y uno de los principales es el correcto tratamiento del agua de ingreso hacia la caldera, pues esta tiene que tener la menor dureza posible para poder ser suministrada, dado que la alta concentración de sale podría afectar y corroer los materiales de los módulos y disminuir altamente la eficiencia de la caldera. Para este caso no se hizo uso de un tratamiento por intercambio iónico o de ósmosis inversa como se vio anteriormente, sino que sólo se hizo uso de filtro para su funcionamiento. Esto es posible dada la poca continuidad de uso que se la va a dar al módulo a lo largo de su vida de trabajo.

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En la Figura 04 podemos ver el depósito de alimentación del agua tratada que irá directamente a la caldera, así como también el tanque de GLP con el cual se llevará a cabo la combustión.

Figura 04. Tratamiento de agua Una vez conseguido una baja dureza para el agua de ingreso a la caldera (de ser posible 0 ppm), esta ingresará a la caldera previamente configurada y energizada para su uso. Esta contaba con sensores que permitían reconocer que el nivel de agua supere en todo momento los serpentines para que estos no sobrecalienten al vapor, así como también sensores para la inyección del combustible. La salida del vapor generado era llevada a un distribuidor, conocido normalmente como Manifold.

Figura 05. Caldera de vapor 5

El manifold es una parte importante en un sistema de vapor que debe cumplir las siguientes características en cuanto a su funcionamiento: 1. Distribuidor: Reparte la carga, la tubería de vapor de salida de la caldera llega y de ahí se reparte a toda la planta, razón por la cual se calcula apropiadamente el mayor diámetro de tubería, que debería ser entre la caldera y el manifold, si las tuberías que salen a los usuarios son de mayor o igual diámetro, la demanda excederá la generación 2. Acumulador: Al salir el vapor de la caldera llenará primero el manifold y después las tuberías hacia los usuarios no de forma directa, sino poco a poco, esto permitirá reducir los efectos de golpes de ariete. 3. Separador de humedad: Las conexiones en el manifold, las entradas se dirigirán a él, las salidas sentido contrario si existe arrastre, el agua se quedará en el manifold y será eliminada a través del trampeo instalado. 4. Centralizador: Aquí se encuentra todas las válvulas de entrada y salida de vapor. 5. Facilitador: Ante sismos o rupturas se dispone de un control rápido para el cierre de tuberías siempre y cuando sean accesibles, presentamos unos ejemplos de lo que no se debe hacer.

Figura 06. Manifold del módulo

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Una de las salidas del manifold descargaba en este intercambiador de calor, que es un radiador diseñado para transferir calor entre dos fluidos, o entre la superficie de un sólido y un fluido en movimiento. Son elementos fundamentales en los sistemas de calefacción, refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico, además de en aparatos de la vida cotidiana como calentadores, frigoríficos, calderas, ordenadores, el radiador del motor de un automóvil, etc.

Figura 07. Intercambiador de calor indirecto Otra de las salidas del manifold iba directamente a este módulo de trampas de vapor, que permitía conocer y estudiar los distintos tipos de trampas usados en la industria. Las trampas de vapor son un tipo de válvula automática que filtran el condensado (es decir vapor condensado) y gases no condensables como lo es el aire esto sin dejar escapar al vapor. En la industria, el vapor es regularmente usado para calentamiento o como fuerza motriz para un poder mecánico. Estas son usadas en tales aplicaciones para asegurar que no se desperdicie el vapor. Se pudo identificar tres principales tipos de trampas de vapor en el módulo: 1. Trampas de vapor mecánicas: En este tipo de trampas de vapor, casi siempre la válvula y el asiento están inundados. Esto impide que se pierda el vapor. Sin embargo, su tamaño es tan grande que se puede perder calor.

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2. Trampas de vapor termostáticas: Las trampas de vapor termostáticas tienen la capacidad de mantener el condensado hasta que una parte de éste se enfría. La parte que se enfría permanece en la válvula principal y no hay pérdida de vapor. 3. Trampas de vapor termodinámicas: Las trampas de vapor termodinámicas pueden perder vapor cuando tienen una baja carga. Cuando el condensado se acerca la temperatura del vapor produce una especie de vapor instantáneo, también conocido como Flash. La expulsión de dicho vapor instantáneo provoca el cierre del orificio de escape de la trampa de vapor.

Figura 08. Módulo de trampas de vapor La última salida del manifold se conectaba hacia un intercambiador de 12 placas, en el que la superficie de separación entre los fluidos era una pared plana. Son relativamente recientes en cuanto a su diseño, pero sus ventajas respecto de los clásicos multitubulares, están desplazando a estos en la mayoría de las aplicaciones. Gracias a este mecanismo, y a la corrugación de las placas, se incrementa notablemente la velocidad de circulación creando un flujo turbulento que reduce el riesgo de incrustaciones al tiempo que optimiza el intercambio de calor, de tal forma que el fluido logrará alcanzar el 100% de su temperatura al final del recorrido de cada placa. Tres aspectos importantes a tener en cuenta respecto al Intercambiador de calor a placas son: 8

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Las placas ultra delgadas con alto coeficiente de intercambio de calor son más eficientes. Los intercambiadores de calor actuales precisan muy poco espacio para su montaje, frente a los antiguos de casco y tubos. Además, son fáciles de mantener pues en caso de incrustaciones, su desmontaje y limpieza es muy sencillo y rápido.

Figura 09. Intercambiador de placas Los 3 sistemas antes mencionados regresaban el condensado para seguir siendo usado como la alimentación de las calderas, y sus salidas eran derivadas a este depósito para su almacenamiento y desagüe posterior.

Figura 10. Depósito de desembocadura del condensado 9

5. Conclusiones y recomendaciones 

Una caldera es el medio más económico para producir energía calorífica siempre y cuando esté lista y en óptimas condiciones.

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Al aumentar al máximo la eficiencia de una caldera existirá un mayor aprovechamiento del gasto en combustible y costos mínimos de operación.

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Las trampas de vapor son necesarias en un módulo de suministro de vapor, pues no dejan que se escape el vapor con el condensado, de esta manera se aprovecha al máximo el calor que este puede entregar.

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Los intercambiadores de placas son más eficientes que los intercambiadores convencionales, pues se incrementa notablemente la velocidad de circulación creando un flujo turbulento que reduce el riesgo de incrustaciones al tiempo que optimiza el intercambio de calor

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En la práctica, los aparatos de control y seguridad no son eternos ni infalibles, siempre puede existir la posibilidad de que se presente una falla, especialmente si se les ha dejado de dar mantenimiento preciso y en el periodo que le corresponda.

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La tecnología aumenta la eficiencia de estos equipos, la inversión puede ser costosa pero se mejoran los resultados en operación y funcionamiento acorde a la protección ambiental.

6. Bibliografía 

Faires M. Virgil, “Termodinámica” , Primera Edición , Editorial Uteha – Noriega , México 1972.

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Honeywell C. A., “Calderas I: Controles para calderas“, Centro de Entrenamiento, Valencia / España, 1980.

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Incropera Frank P., “Fundamentos de transferencia de calor", Cuarta Edición, Editorial Prentice – Hall, México 1999.

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Ingeniero Azucarero Valdez, “Manual de operación y especificaciones técnicas de los equipos instalados”, Milagro 2002.

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