Un saludo,

Mario Santizo

Tablas termodinamicas

Tablas de agua, refrigerantes, gases ideales, propiedades de sustancias, capacidades caloríficas. Presentados en sistema internacional y sistema inglés, de utilidad para cálculos térmicos.

Requisitos de energía

Cálculos de energía requerida en sistemas de vapor

Diagrama caldera acuotubular

Layout de caldera acuotubular

Principios de generación de vapor parte 1

 Aplicación a los sistemas de generación de vapor

   GENERALIDADES

El agua en condiciones atmosféricas normales, se encuentra en estado líquido. Cuando cierta cantidad de agua se calienta por un medio externo, la temperatura del agua aumenta, notándose en la superficie pequeñas burbujas de vapor que se rompen y se forman continuamente.  A este fenómeno se le llama ebullición. Existen tres etapas durante el proceso de conversión de agua en vapor. La primera etapa consiste en agregar calor al agua para incrementar su temperatura hasta el punto de ebullición, agregando calor sensible al agua [sin cambio de fase] hasta llegar al punto de ebullición o temperatura de saturación.  La cantidad de calor requerido para subir la temperatura del agua de 0°C hasta la temperatura de saturación [100°C a nivel del mar] se conoce como entalpía del agua líquida o calor sensible. En la segunda etapa se adiciona calor al agua que inicia su ebullición y, bajo condiciones de presión constante, el agua se convierte en vapor sin incrementar su temperatura, esta es la fase de evaporación o de adición de calor latente, en esta fase el vapor se encuentra en contacto con agua líquida como vapor húmedo hasta llegar a vapor saturado, es decir, vapor seco libre de partículas de agua y posee una calidad del 100% [1 libra de vapor/libra total].  El vapor saturado a cualquier presión tiene una temperatura definida. La tercera etapa comienza cuando el vapor a una determinada presión se calienta por arriba de la temperatura de saturación a esa presión.  El vapor se llama en estas condiciones vapor sobrecalentado.

Ventajas de utilizar vapor como medio de calentamiento:    

  • El agua que se utiliza para producir vapor es abundante [en nuestro medio], bajo costo, no tóxica y con alto poder disolvente.
  • El agua posee la propiedad de poder cambiar de estado sólido [hielo] a líquido [agua], y luego a gaseoso [vapor] y viceversa; sin que cambie su naturaleza química.
  • Las moléculas de agua son conductoras de energía térmica, razón por la cual una cantidad considerable de calor puede ser transportada en pequeñas cantidades en estado sólido.

El vapor puede utilizarse de varias maneras:

1. Directamente: Esterilización y lavado

2. Reacción: Extracción de la lignina en la madera.

3. Indirectamente: Intercambiadores de calor.        

Se requiere del vapor para operar algunos equipos, esterilizar, calentar agua o como parte de proceso en general:

  1. En una embotelladora de bebidas carbonatadas se utiliza el vapor para calentar soluciones cáusticas en el proceso de lavado de botellas, para efectuar los “cocimientos” en la elaboración de jarabes simples y para calentar agua para limpieza de equipos y pisos.
  2. En hoteles y hospitales se utiliza el vapor en la preparación de alimentos en cocina [Marmitas, Baños de María, hornos de legumbres y otros], en lavandería; calentamiento de agua a procesos [90°C], para servicio domiciliario [65°C],
  3.  En intercambiadores de calor vapor-líquido; o intercambiador condensante.
  4.  Hervidores y tanques de proceso, secadores de abanico, evaporadores, precalentadores de combustible, secadores de bobina, máquinas y bombas de vapor, lunas de vapor al aire libre, equipo de calefacción de edificios, baños de vapor.
  5. En sistemas de potencia para generación de energía eléctrica.

generación de vapor

Un generador de vapor es un equipo que convierte el agua caliente en vapor a través del proceso de combustión [combustible+comburente]. El generador de vapor [caldera] distribuye el  vapor requerido al proceso de manera continua, transfiriendo su energía térmica a la corriente deseada [calor latente] y retornando el condensado [si el vapor se utiliza indirectamente]. 

Clasificación de las calderas de vapor:

Caldera Pirotubular

En estas calderas, los gases de combustión circulan a través del interior de los tubos, que se encuentran sumergidos en la masa de agua. Todo el conjunto, agua y tubos de gases de combustión, se encuentra rodeado por una carcasa exterior. Los gases calientes, al circular por los tubos, ceden calor, el cual se transmite al lado exterior de estos tubos y luego al agua que contiene la caldera [transferencia de calor por conducción].

El límite superior de presión de operación en calderas pirotubulares estándar es de 250 psi, este límite de presión obedece principalmente a condiciones de diseño; específicamente, a la fuerza en dirección longitudinal resultante de la presión del vapor generado el cual es proporcional al producto de la presión y el diámetro de la carcasa o concha. Más allá de cierto punto no es económicamente viable aumentar el tamaño y el espesor de las planchas externas [tubos y carcasa], lo cual implica la limitación de la presión indicada, también se relaciona este aspecto de diseño con la capacidad máxima de generación de vapor, la cual es de 34,500 lbm de vapor por hora que equivale a 1,000 Bhp aproximadamente [Por definición: 34.50 lbm vapor/h = Bhp de caldera]. 

Las calderas pirotubulares son normalmente de construcción simple y “relativamente baratas” [20,000 a 300,000 $]. Otra ventaja de esta caldera de vapor es su flexibilidad para adaptarse a cambios de carga; a pesar de que  son lentas en alcanzar la presión de operación a partir de un arranque en frío debido a su gran contenido de agua. Existen dos configuraciones generales de calderas pirotubulares. La caldera tubular de retorno horizontal que consiste en una carcasa con tubos por los que circulan gases calientes y están ubicados longitudinalmente a lo largo de la caldera. La carcasa va suspendida en una armazón de acero dentro de una cámara de ladrillo la cual forma un horno, este es un tipo de caldera antigua que utilizaba como combustible carbón o cualquier otro combustible sólido o granular. El segundo tipo, se conoce como “escocés”, es una caldera de horno integrado de forma cilíndrica en la cual en el centro existe un tubo de fuego por el que circulan los gases y retornan a través del interior de todos los tubos; a través de varios pasos, usualmente tres o cuatro pasos; estas  calderas se utilizan actualmente y queman diesel si su capacidad es menor de 50 Bhp aproximadamente y hasta 1,000 Bhp utilizan búnker [en lo que se refiere al quemador de estas calderas, existen variaciones: Hay quemadores multipropósitos que utilizan búnker, diesel, LPG, carbón o combustible tipo aserrín; aunque no son comunes, usualmente se encuentran en beneficios de café y aserraderos]. La mayoría de las calderas pirotubulares están diseñadas para utilizar una disposición de paso múltiple en los gases de combustión con el propósito de incrementar la transferencia de calor por conducción y convección [usualmente cuatro pasas]. Existe una diversificación en el diseño de estas calderas pirotubulares. Existe la caldera de retorno seco, debido a que por la parte de adentro de la carcasa circulan gases calientes [periferia de la carcasa] y de retorno húmedo que son las más comunes y no poseen gases calientes en la periferia de la carcasa. Estas calderas operan con una eficiencia de combustión que oscila entre un 80 a 86% y una eficiencia de caldera que oscila aproximadamente entra un 76 a 82%.

Caldera Acuotubular

En estas calderas los gases de combustión circulan por la parte externa de los tubos, mientras que por el interior circula agua.

Existen diferentes diseños; sin embargo, la más común es la caldera de tubos verticales o inclinados en las secciones de transferencia de calor por convección y radiación. Los muros que rodean estas calderas también están rodeados por la parte de adentro de bancos de tubos de agua, llamados pantallas de agua, que tienen el doble propósito de transferir el calor al agua para su ebullición y de enfriar el refractario de la pared del horno y así prolongar su vida útil.

Las calderas acuotubulares pequeñas y medianas [de 1,000 a 2,000 Bhp] se instalan como “unidades empacadas”, las cuales se llevan al sitio y se procede a su operación.

Las calderas acuotubulares grandes [de 3,000 Bhp a 100,000 Bhp] se construyen por partes, usualmente se construyen [las piezas se importan] durando la instalación de cinco a ocho meses.

Dependiendo de la forma particular de la bancada de tubos existen calderas de configuración A, D, y O; aunque siempre la configuración general es similar.

Una caldera acuotubular es un equipo de generación de vapor de alta presión relativamente complejo; ya que además de la carcasa vertical de la caldera constituida por los tubos que van del domo inferior al domo superior, posee equipo auxiliar que forma parte esencial en la operación eficiente de ellas; además del sistema de automatización necesaria para regular eficientemente la curva de carga de la caldera [relación combustible-comburente].

Estas calderas se diseñan para presiones que oscilan entre 250 a 2,000 psi y capacidades de vapor entre 100,000 a 3, 500,000 libras de vapor por hora [aproximadamente entre 3,000 a 100,000 Bhp].

Además de la pared [carcasa de la caldera vertical] y bancos de tubos con sus domos en la caldera acuotubular; poseen una serie de equipos indispensables para la operación de la caldera, como son:

  1. Economizadores de agua simple o de doble paso.
  2. Precalentadores de aire simple y de doble paso para precalentar el aire primario y/o secundario.
  3. Ventiladores de tiro inducido y tiro forzado.
  4. Deshollinador.
  5. Sistema de alimentación del combustible [sólido, desecho agroindustrial, búnker o combinación de ambos].
  6. Bombas de alta presión de alimentación de agua a la caldera [entre 400 a 2,000 psi]
  7. Sistema de automatización [relaciona la operación entre el porcentaje de exceso de oxígeno, tiro forzado, tiro inducido, presión de la cámara del horno, presión del vapor y alimentación del combustible]

Estas calderas de vapor se utilizan para generación de potencia utilizando un ciclo Rankine con sobrecalentamiento y sistemas de cogeneración con las variables de operación que permiten ser más eficiente el ciclo Rankine, como es el recalentamiento, intercambio de calor intermedio directo e indirecto a través de sistemas de turbinas condensantes o de contra presión. Si el ciclo de potencia se utiliza únicamente para generar energía eléctrica se usan turbinas condensantes y si además se utiliza vapor a proceso se requieren turbinas de contrapresión; cuya relación de contrapresión puede estar de 700 - 1,000 psi a 10 - 50 psi.

Existe una gran variedad de ciclos de potencia para producir energía eléctrica y vapor, también existen ciclos combinados que utilizan los gases calientes directos de un sistema de combustión o de recuperación de calor para producir energía eléctrica a través de un turbogenerador de gas y este gas de salida se utiliza para producir vapor requiriendo para ello una caldera de recuperación de calor para producir vapor [Ciclo Topping] o invertir el proceso de tal forma que se genera vapor y el excedente de los gases calientes se utilizan para producir energía eléctrica [Ciclo Bottoming].

 Criterios generales para seleccionar una caldera

Para la correcta selección de una caldera deben tomarse en consideración las siguientes condiciones:

  1. Capacidad de generación real de vapor bajo condiciones de operación de la planta.
  2. Rendimiento térmico, [eficiencia térmica].
  3. Características de operación y variables: Presión requerida, fluctuaciones en la demanda del vapor.

Se ha convenido que la capacidad de generación del vapor de una caldera se mide por su capacidad de evaporación horaria tomando como unidad 34.5 libras por hora desde y a 212°F a presión atmosférica a nivel del mar, a esta unidad se le da el nombre de Bhp [Boiler Horse Power].

Debe insistirse en el término “desde y a”, esto significa que estas 34.5 libras por hora serán efectivas cuando el agua de alimentación está a 212°F a presión atmosférica a nivel del mar.

Los catálogos de calderas tipo paquete normalmente expresan las capacidades de las mismas “desde y a 212°F a presión atmosférica a nivel del mar, situación que no se da en condiciones de operación, por lo que el ingeniero de proceso debe realizar la selección del generador tomando en consideración la temperatura real del agua de alimentación, la presión a que deberá generarse el vapor saturado y los grados de sobrecalentamiento en el caso de una caldera ocuotubular. Para la determinar los caballos de vapor de caldera [Bhp] se debe tomar en cuenta la temperatura del agua de alimentación a la caldera que depende de la cantidad de retorno de condensado y del agua fresca, además de la presión de generación del vapor y si este vapor se requiere saturado o sobrecalentado. La ecuación para determinar los Bhp se describe a continuación: