Uso Industrial del Vapor

El vapor es el fluido más utilizado industrialmente como medio de transferencia de calor, para proporcionar fuerza motriz, para realizar trabajo directamente o para transformarla en energía eléctrica, o transportar parte de la energía del combustible que lo genera para distintos usos. Es incoloro, inodoro y estéril. El vapor se obtiene al calentar el agua hasta su temperatura de saturación y, al realizarse un nuevo aporte de energía, esta hervirá y se convertirá en vapor.

Usos del Vapor

• Petroquímicas
• Químicas
• Farmacéuticas
• Mecánicas
• Textil
• Papeleras y cartoneras
• Alimentación
• Servicios

¿Por qué se usa el Vapor en la Industria?

• Para su producción se utiliza agua:
  • Es abundante, barata y fácil de obtener.
  • No produce problemas ambientales.
• Es muy controlable:
  • Para cada presión hay una temperatura, una energía específica y un volumen específico (mayor presión = mayor temperatura).
  • Rápida respuesta.
  • Con vapor saturado y seco la transferencia de calor es a temperatura constante.
• Transporta cantidades de energía elevadas por unidad de masa:
  • Tuberías más pequeñas, menos superficie de calefacción, menos cantidad de fluido usado.
• Es estéril y de fácil distribución y control.
• Se eliminan las exigencias de mantenimiento y reparaciones del equipo mecánico y se elimina el consumo eléctrico de las bombas:
  • No se necesitan bombas para transportar el vapor ya que se autotransporta utilizando parte de la energía del combustible utilizado.
  • El agente motor del vapor es la diferencia de presiones en la red.
• Es más fácil suministrar vapor a distintas condiciones de presión y temperatura que con un líquido y tiene un mejor aprovechamiento.

Gráfico T-S (Campana)

El vapor deberá estar disponible en los puntos de consumo cumpliendo lo siguiente:

• Cantidad suficiente (una indicación de falta de caudal es la bajada de presión).
• Presión y temperatura correcta (pérdida de carga en las tuberías).
• Libre de aire, limpio y seco (evitar mediante una instalación correcta).

Calderas

Son todo recipiente cerrado donde se genera vapor a una presión mayor que la atmosférica, mediante una fuente de calor adecuada.

Toda caldera posee un hogar, donde se realiza la combustión del combustible, un altar que son paredes que se ponen para realizar una turbulencia de los gases para que tengan más contacto con el agua, una chimenea por donde salen los gases de escape, un tanque de agua donde se realiza la evaporación del agua, una cámara de agua y una de vapor, y por último posee un domo por donde salen los vapores.

Se clasifican según:

Transferencia de Calor en Calderas

• Conducción: intercambio de energía entre partículas más calientes hacia las de menor temperatura (puede ser entre sólido y fluido estático).
• Convección: intercambio de calor entre un sólido y un fluido adyacente en movimiento (se combina la conducción con el movimiento del fluido).
• Radiación: temperatura emitida en ondas electromagnéticas como resultado de las configuraciones electrónicas de los átomos (cuando se quema algo).

Superficie de calefacción: Es la superficie de la unidad generadora de vapor destinada a la transmisión de calor expuesta por un lado al gas o a los refractarios que se deben enfriar y por el otro al líquido a evaporar. Se mide desde la superficie en la cual se aporta calor.

Agua de Alimentación de Caldera

El agua utilizada en las calderas deberá ser tratada para minimizar la corrosión, las incrustaciones, la formación de espumas y arrastres de agua con el vapor, con el fin de que este sea limpio y seco. Retirando el oxígeno se logra prevenir la corrosión.

Se debe tener un depósito de alimentación adecuado para que se produzca una buena mezcla entre el agua fría del depósito y el condensado con temperaturas altas, en el caso contrario se pierde energía.

Tipos de Generadores de Vapor

Según el tipo de combustible, los generadores de vapor pueden ser de combustibles líquidos, gaseosos o sólidos.

Generadores Humotubulares

En estos generadores los gases calientes son conducidos por tubos que circulan en el interior de un recipiente lleno de agua. Constan de un recipiente cilíndrico y dos placas tubulares en sus extremos. Cuentan con cajas de inversión húmedas (rodeadas de agua), y una caja de inversión seca (rodeada de aire). Utiliza combustibles sólidos, líquidos o gaseosos. Son económicos, de alto rendimiento y con un mantenimiento fácil y se utilizan para una presión máxima de 20 bares y consumo de hasta 30 T/h.

• Generación de vapor:
  • 2 pasos
  • 3 pasos
  • Retorno de llama
• Generación de agua caliente
• Generación de fluidos térmicos
• Generación de aire caliente

Los generadores de vapor humotubulares se comercializan en una modalidad definida como «paquete». Consiste en la unidad GV montada sobre una plataforma metálica sobre la que se instalan distintos componentes necesarios para su funcionamiento, por lo que esta unidad completa solo requerirá de:

• Suministro eléctrico
• Suministro de agua y combustible
• Conexión al sistema de vapor
• Instalar la chimenea
• Conectar el sistema a la purga

Generador de Vapor con Sobrecalentador

Generador de Vapor con Combustible Sólido

Generador de Vapor Vertical

Limitaciones de Diseño de un Generador de Vapor Humotubular

• Presión de generación: 25 – 28 [bar]
• Producción de vapor: 20-25 [ton /h]
• Superficie de calefacción: 500-700 [m2]
• Pev: 38-40 [kgv/h.m2]
• Rendimiento: 85-90 [%]
• Vapor saturado (x = 0.95-0.98)

Espesor de los Tubos

e = p. D / 2 S K

• e: espesor
• p: presión interior
• D: diámetro interior del cuerpo cilíndrico
• S: tensión admisible
• K: factor que considera resistencia de soldadura + corrosión

Controles de Calderas Humotubulares

• Control de concentración de sólidos disueltos (purgas)
• Indicador de nivel de agua:
  • Control On Off
  • Control modulante
• Control de presión

Elementos Auxiliares

• Quemador
• Bomba de alimentación de agua
• Economizador: El agua de alimentación circula por el interior de la chimenea de escape calentándose mediante los mismos
• Sobrecalentador: El vapor se recalienta para llevarlo a la temperatura deseada

Válvulas

• De suministro
• De seguridad: Es la válvula que entra en funcionamiento cuando las condiciones de presión de la instalación exceden los límites prefijados.
• De alivio: Es una válvula automática que actúa por presión directa diseñada para una apertura precisa pero no instantánea, sino progresiva.

Generadores Acuotubulares

Las acuotubulares son calderas de generación de vapor en las cuales el líquido a evaporarse circula por el interior de los tubos. Poseen un domo superior y un domo inferior unidos por muchos tubos, los cuales rodean al hogar en el cual se calientan y evaporan el agua que circula desde el domo inferior hacia el superior.

• No tiene límite de producción de vapor
• Pueden alcanzarse grandes temperaturas de vapor sobrecalentado y recalentado (600°C)
• Bajo peso por unidad de vapor generado
• Tiempos bajos para alcanzar la máxima potencia
• Gran flexibilidad para responder a las variaciones de carga debido a su pequeña cantidad de agua
• Gran absorción de calor
• Más seguras
• Se utilizan para altas presiones

Tipos de Generadores Acuotubulares

• Industriales
• Centrales térmicas:
  • Subcríticas (HRSG – CC) Recirculado por bomba
  • Supercríticas Paso único
  • Hipersupercríticas (GV central nuclear)

Circulación Natural en Generadores Acuotubulares

Al calentar el agua, esta se va a empezar a evaporar, disminuyendo su densidad y haciendo que suba para que agua fría ocupe su lugar. En algunos casos se necesita la circulación de agua para proteger los caños debido al calentamiento excesivo.

Limitaciones del Diseño con Circulación Natural

H (altura) —- caída de presión, fuerza equilibrante, caudal de vapor

Diferencia de densidad —– Aumenta presión, presión crítica 221 bares (374°C)

Pi = H. (yliq – yvh)

Generador Acuotubular con Circulación Forzada

Se emplea solamente para la generación de vapor en centrales de generación eléctrica. Las ventajas que posee impulsar el agua con una bomba son:

• Reducción de superficies de intercambio (debido a la velocidad).
• Reducción del peso de las tuberías que componen las superficies de intercambio (se aumenta la velocidad y se disminuye el diámetro).
• Mayor libertad de diseño de las superficies de intercambio (superficies horizontales).
• Mayor agilidad de respuesta a las variaciones de la demanda de vapor.
• Menores tensiones mecánicas debidas a efectos térmicos.

Comparativa: Generador de Vapor Humotubular vs. Acuotubular

Humotubular

Ventajas

• Menor coste inicial, debido a la simplicidad de diseño en comparación con las acuotubulares de igual capacidad.
• Mayor flexibilidad de operación, ya que el gran volumen de agua permite absorber fácilmente las fluctuaciones en la demanda.
• Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación porque las incrustaciones formadas en el exterior de los tubos son más fáciles de atacar y son eliminadas por las purgas.
• Facilidad de inspección, reparación y limpieza.

Desventajas

• Mayor tamaño y peso que las acuotubulares de igual capacidad.
• Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento.
• Gran peligro en caso de explosión o ruptura debido a la cantidad de agua almacenada.
• No se emplean para altas presiones.

Acuotubulares

Ventajas

• Menor peso por unidad de potencia generada.
• Puede ponerse en funcionamiento más rápidamente por tener pequeño volumen de agua en relación a su capacidad de evaporación.
• Mayor seguridad para altas presiones.
• Mayor eficiencia.
• Son inexplosivas.

Desventajas

• Su coste es superior.
• Deben ser alimentadas con agua de gran pureza ya que las incrustaciones en el interior de los tubos son muchas veces inaccesibles y provocan rotura de los mismos.
• Debido al pequeño volumen de agua le es más difícil ajustarse a las grandes variaciones del consumo de vapor, siendo necesario hacerlas funcionar a mayor presión de la requerida.

Materiales

Selección del material para el tubo:

• Temperatura efectiva de operación.
  • T menor a 400°C – Aceros de bajo tenor de carbono. (Grafitización)
  • T hasta 450°C – Aleaciones de Carbono Molibdeno.
  • T hasta 560°C – Aleaciones al Cromo Molibdeno.
  • T Mayor a 560°C – Aleaciones de acero inoxidable austeníticas de Cromo-Níquel (18 Cr-8Ni) + Titanio o Niobio.

Terminología y Unidades

• Entalpía: Energía total de un fluido (KJ o Kcal).
• Entalpía específica: Energía por unidad de masa (KJ/kg o Kcal/kg).
• Calor específico: Capacidad de una sustancia para absorber calor. Es la cantidad de energía que requiere 1 kg de un fluido para aumentar su temperatura 1°C.
• Calor y transferencia de calor: El calor de una forma de energía, la trasferencia de calor es el flujo de entalpía de una materia de alta temperatura a otra de temperatura menor cuando se encuentran en contacto.
• Entalpía de evaporación: Entalpía que produce un cambio de estado de agua a vapor sin variación de temperatura.
• Entalpía vapor saturado: Entalpía de agua saturada + entalpía de evaporación.
• Volumen específico: Volumen por unidad de masa (m3/kg), disminuye al aumentar la presión.

Calidad del Vapor según Temperatura

• Vapor saturado (título x=1): Formado totalmente con agua evaporada (no contiene gotas de agua líquida).
• Vapor húmedo (título entre x=0 y x=1): Es un vapor que contiene gotas de agua en suspensión. Aumenta la erosión y disminuye la trasferencia de calor. La entalpía real de evaporación del vapor húmedo es producto de la fracción seca y de la entalpía específica de evaporación (obtenida de tabla). En instalaciones que se requiera de un vapor muy seco se recomienda la utilización de un separador.
• Vapor sobrecalentado (título mayor a 1): Es un vapor que se encuentra a cualquier temperatura sobre el vapor saturado. Si la transferencia de calor continúa superado el punto de vapor saturado la temperatura comenzara a aumentar nuevamente (generalmente utilizado para turbinas).

Transferencia de Calor

Al condensarse el vapor cede su calor a los fluidos que lo rodeen. Al circular el vapor por un serpentín rodeado por un fluido (o producto) a menor temperatura dentro de un recipiente cerrado, este se condensará aportándole calor a las paredes del serpentín las cuales se lo aportaran al fluido a menor temperatura. El agua generada por la condensación deberá ser drenada por medio de purgadores.

Las paredes del serpentín en contacto con el fluido que aporta calor son denominadas superficies de calefacción.

La cantidad de energía cedida al fluido o producto es:

Q = U. S. (Tv – Tp)

El calor o entalpía se calcula:

Q = M. Ce. (Tf – Ti)

Barrera de Transferencia de Calor

Factores que Afectan la Transferencia de Calor

Suciedad del Vapor

• Arrastre de sólidos del agua de caldera
• Corrosión en tuberías
• Restos de soldadura
• Exceso de materiales en juntas
• Productos para sellados de roscas

Partículas de cierto tamaño son retenidas mediante filtros, pero el resto se debe evitar mediante un correcto equipamiento.

Aire en el Vapor

La presencia de aire en el vapor anula la transferencia de calor. El aire puede ingresar al sistema mediante el vacío resultante al apagar la caldera y por la alimentación de agua incorrecta. Para disminuir el oxígeno del agua es recomendable inyectarla a la mayor temperatura que permita la bomba y la presión del depósito.

Ley de Dalton: La presión total de una mezcla de gases o vapores es la suma de las presiones parciales.

Eliminación de Agua y Aire en el Vapor

Se instalan eliminadores y purgadores, los cuales son válvulas automáticas que dejan pasar el agua o el aire y se cierran cuando detectan vapor.

Revaporizado

Es cuando el líquido condensado pasa de unas condiciones de temperatura y presión a una presión inferior con una temperatura de condensación más baja de la inicial generando que se vuelva a vaporizar.