VAPOR DE AGUA
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 dos o tres etapas, [según el caso], durante el proceso de convertir agua en vapor.
La primera etapa consiste en agregar calor al agua para incrementar su temperatura hasta el punto de ebullición, correspondiente a las condiciones de presión bajo las cuales se proporcione calor. El punto de ebullición se conoce normalmente como la temperatura de generación o saturación. La cantidad de calor requerido para subir la temperatura del agua de 32°F hasta la temperatura de saturación [212°F a nivel del mar] se conoce como entalpía del agua o calor sensible.
En la segunda etapa se proporciona calor al agua en 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 calor latente, en esta fase, el vapor esta en contacto con el agua líquida, el vapor se encuentra en la condición conocida como saturado. Puede estar húmedo o seco dependiendo de las condiciones de generación. El vapor saturado húmedo contiene partículas de agua en suspensión, el seco es vapor libre de partículas de agua. El vapor saturado a cualquier presión tiene una temperatura definida. [Para calcular la presión de vapor [de equilibrio] de una sustancia se recurre a la ecuación de Antoine o al diagrama de Cox; en el caso del agua y refrigerantes se recurre a las tablas de propiedades termodinámicas]
La tercera etapa comienza cuando el vapor a una determinada presión se calienta por encima de la temperatura del vapor saturado a esa presión. El vapor se llama en estas condiciones vapor sobrecalentado.
¿Por qué utilizar vapor?
1. El agua que se utiliza para producir vapor es abundante [en nuestro medio], bajo costo, no tóxica y con alto poder disolvente.
2. El agua posee la propiedad de ser cambiada de estado sólido (hielo) a líquido (agua), y luego a gaseoso (vapor) y viceversa; sin que cambie su naturaleza química.
3. Las moléculas de agua son excelentes almacenadoras y conductoras de energía térmica, razón por la cual una cantidad considerable de calor puede ser transportada en pequeñas cantidades.
El vapor puede utilizarse de varias maneras:
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Directamente: Esterilización y lavado.
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Reacción: Extracción de la lignina en la madera.
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Indirectamente: Intercambiadores de calor.
Se requiere del vapor, para operar algunos equipos, esterilizar, calentar agua o como parte de un proceso:
1. En las turbinas de vapor se utiliza el vapor para generar electricidad; 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 la cocina (Marmitas, Baños de María, hornos de legumbres y otros), en lavandería; calentamiento de agua para procesos (180°F), para servicio doméstico (140°F),
3. En intercambiadores de calor vapor-líquido; o sea funcionando el intercambiador como un condensador.
4. Hervidores y tanques grandes 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, etc.
Calderas de vapor
Un generador de vapor puede definirse como un equipo que, dentro de sus capacidades genera y entrega vapor en la cantidad, calidad y oportunidad requerida por el usuario final, en forma continua y en operación económica y segura.
Clasificación de las calderas de vapor
Caldera Pirotubular
En estas calderas, los gases de combustión son obligados a pasar por el interior de unos tubos, que se encuentran sumergidos en la masa de agua. Todo el conjunto, agua y tubo de gases, se encuentra rodeado por una carcasa exterior. Los gases calientes, al circular por los tubos, ceden calor, el cual se transmite a través de los tubos [transferencia de calor por conducción] , y posteriormente al agua.
El límite superior práctico de la presión de operación de calderas pirotubulares estándar es de 250 psi, esto obedece primordialmente a condiciones estructurales; específicamente, la fuerza en la dirección longitudinal resultante de la presión del vapor generado 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 y también se relaciona con la capacidad máxima de generación de vapor, la cual es de 39,600 lb de vapor por hora [aproximadamente 750 Bhp = hp de caldera]
Las calderas pirotubulares son normalmente de construcción simple y fuerte y son “relativamente baratas” [20,000 a 300,000 $]. Otra ventaja es su flexibilidad para adaptarse rápidamente a cambios de carga; aunque 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 el que circulan los gases calientes y están ubicados longitudinalmente a lo largo de la caldera. La carcasa va suspendida de 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 cuál en el centro existe un tubo de fuego por el cuál circulan los gases y retornan a través del interior de todos los tubos; varios pasos, usualmente tres o cuatro pasos; son las calderas que se usan actualmente y que utilizan como combustible diesel si su capacidad es menor de 50 Bhp aproximadamente y hasta 1,200 Bhp utilizan búnker [en lo que se refiero al quemador, 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 son diseñadas para utilizar una disposición de paso múltiple para los gases de combustión con el propósito de incrementar la transferencia de calor por conducción y convección. Existe una diversificación en el diseño de estas calderas pirotubulares. 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 74 a 80%.
Caldera Acuotubular
En estas calderas los gases de combustión circulan por la parte externa de los tubos, mientras que por su interior lo hace el agua.
Existen muchos tipos diferentes de diseño; sin embargo, la más común es la 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 instalan en el sitio y se procede a su operación.
Las calderas acuotubulares grandes [de 3,000 Bhp a 50,000 Bhp] se construyen por partes, usualmente se construyen [las piezas se importan] en tres a siete 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 1,200 psi y capacidades de vapor entre 100,000 a 1,650,000 libras de vapor por hora [aproximadamente entre 3,000 a 50,000 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.Deshollinador.
4. Sistema de alimentación del combustible [sólido, desecho agroindustrial, búnker o combinación de ambos].
5. Bombas de alta presión de alimentación de agua a la caldera [entre 400 a 1,000 psi]
6. Sistema de automatización [que 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 también para generación de potencia a través de un ciclo Rankine con sobrecalentamiento y las variables de operación que hacen al ciclo más eficiente 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 se utiliza vapor en el proceso se utilizan turbinas de contrapresión; cuya contrapresión puede estar entre 700 a 1,000 psi a 10 o 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 para producir energía eléctrica a través de un turbogenerador de gas y el gas exhausto a menor temperatura se utiliza para producir vapor utilizando 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 pirotubular
Para la correcta selección de una caldera deben tomarse en consideración las siguientes condiciones:
1. Capacidad de generación real de vapor bajo las condiciones de operación de la planta.
2. Rendimiento térmico, (eficiencia porcentual).
3. Características del trabajo y condiciones. Presión requerida, fluctuaciones en la demanda del vapor, etc.
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 dichas 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 estas “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 diseñador deberá hacer la selección del generador tomando en consideración la temperatura real del agua de alimentación y la presión a que deberá generarse el vapor saturado.
Determinación de Bhp:
CASO I
Una fábrica necesita generar 3,400 lb/h de vapor saturado a 125 Psi. y la temperatura del agua de alimentación será de 140°F. ¿Qué caldera necesita comprar, según el manual del fabricante y según cálculos ingenieriles basados en la operación?
Del manual del fabricante:
De acuerdo con esta operación comprando una caldera de 100 Bhp cubrirían la demanda de vapor y aún quedaría reserva de 50 lbm de vapor por hora.
De acuerdo con un análisis ingenieril y basado en las condiciones de operación:
En el vapor [como en sistemas eléctricos de potencia] se debe manejar el vapor de consumo y vapor de demanda.
El vapor de consumo es el consumo de vapor real.
El consumo de vapor se “incrementa por instantes”, debiendo tener la caldera de vapor, la capacidad de abastecer este “consumo pico” por lo que una caldera debe dimensionarse de tal manera que exista una disponibilidad de un 15% por lo menos [este porcentaje puede elevarse si se contempla expansión en la capacidad del proceso].
Por estas razones, se debe calcular la capacidad de la caldera, tomando en cuenta el 15% de disponibilidad por picos de consumo y, % por expansión en el proceso y redondeo a la capacidad próxima inmediata:
CASO II
¿Cuánto vapor genera una caldera de 500 Bhp si la temperatura del agua de alimentación es de 180°F y la presión del vapor es de 150 Psig (165 Psia)?
PÉRDIDA DE ENERGÍA EN EL COMBUSTIBLE
1. Pérdidas de calor debidas al hidrógeno en el combustible.
La presencia de hidrógeno libre o combinado produce pérdidas significativas de calor, debido a la humedad resultante en el gas de escape. Para ilustrar este comportamiento consideremos celulosa pura seca (C6H10O5) en la cuál todo el hidrógeno se combina con oxígeno, los productos de combustión pueden contener 0.254 kg de agua por cada 0.45 kg de celulosa seca quemada. Cada kilogramo de vapor de agua que elimina el sistema contiene 533 Kcal (970 Btu) de calor latente, es de esperar que los combustibles que contengan hidrógeno posean una eficiencia térmica menor. Se debe reportar los valores altos del poder calorífico de los combustibles (incluyendo el calor disponible en la humedad condensada). Los reportes de eficiencia de combustión donde el agua permanece como vapor en los gases de combustión, deben reflejar estas pérdidas de calor latente, debido a que los combustibles conteniendo hidrógeno o humedad son menos eficientes que otros combustibles si las condiciones restantes permanecen constantes.
2. Pérdidas de calor debidas a la humedad del combustible y del aire.
La humedad libre en el combustible o en el aire ocasiona una reducción de la eficiencia de combustión. El calor requerido del combustible para evaporar la humedad y elevar el vapor resultante a la temperatura de la caldera u horno, reduce la temperatura en el horno y como consecuencia se reduce el aprovechamiento térmico a temperaturas elevadas del gas y disminuye la transferencia de calor por convección y radiación. Se requiere en estos casos hasta el doble de calor para elevar la temperatura de 1 ºF que el necesario para cambiar la misma temperatura de una libra de gas de combustión seco. Cuando los gases húmedos salen por los gases de escape, aportan calor latente el cual se puede utilizar únicamente por descenso de temperatura del gas (abajo del punto de rocío); pero causa daños por corrosión ya que el agua condensada reacciona con el azufre dando lugar a formación ácida. Las pérdidas debidas a la humedad son de 970 Btu/lb (calor latente) y además 470 Btu/1,000 lb de humedad por cada ºF por cada ºF que exceda la temperatura del aire entrando.
3. Pérdidas de calor debidas al exceso de aire y nitrógeno.
El aire suministrado contiene el 21% en volumen de oxígeno y el 79% en volumen de nitrógeno, este nitrógeno no interviene en el proceso de combustión de tal forma que el calor absorbido por el nitrógeno (gas no condensable) se pierde funcionando de esta forma el nitrógeno como un elemento refrigerante pues no es aprovechable térmicamente. Prácticamente el exceso de aire de combustión elimina por los gases de escape 240 Btu por mil libras por grado Fahrenheit de gas de combustión que exceda la temperatura del aire entrando al proceso de combustión.
4. Pérdida de calor debido a combustible no quemado.
Esta pérdida es considerable en desechos combustibles o combustibles sólidos únicamente. Usualmente este combustible no quemado (oxidación parcial a CO) se acumula en las cenizas y conviene efectuar un análisis calorimétrico para determinar el poder calorífico residual. Este CO no quemado representa una pérdida de 322 Btu por cada pie cúbico estándar de CO liberado en el proceso de combustión. En los combustibles líquidos y gaseosos usualmente no se dan el problema de formación de hollín (CO), pero conviene visualizar la mirilla para observar internamente si no existe formación de hollín; también la visualización de la chimenea.
EFICIENCIA DE COMBUSTION
La eficiencia de combustión define la cantidad de energía que es utilizada por la caldera para su funcionamiento y producción de vapor a las condiciones requeridas por el proceso. Una caldera de vapor con una eficiencia de combustión del 84%, significa que el 16% de la energía térmica se pierde en los gases de escape y que la caldera aprovecha el 84% para su operación y generación de vapor a las condiciones de operación.
La eficiencia de combustión se determina obteniendo muestra de los gases de escape en la chimenea, un metro arriba de la carcasa de la caldera para determinar a través de un equipo Bacarach, el porcentaje de exceso de oxigeno con el que opera la caldera en ese momento; además se debe tomar la temperatura en ese punto con un medidor de temperatura con termocupla tipo K.
A partir del porcentaje de exceso de aire y temperatura de los gases de escape, se determina la eficiencia de combustión, a través de tablas o gráficas.
EFICIENCIA DE CALDERA
Es la energía que aprovecha la caldera para producir vapor; la energía disponible como consecuencia de la eficiencia de combustión se indicó que se utiliza para operación de la caldera y producción de vapor. Respecto a la operación de la caldera se considera en la práctica dos pérdidas; una debido a las pérdidas por radiación y convección en la carcasa de la caldera como consecuencia de la temperatura superficial de esta. La otra pérdida es la relacionada con la purga, ya que para mantener el nivel deseado de sólidos totales disueltos en la caldera [STD] hay que purgarla.
CASO III
En una textilería en el departamento de tintes, opera el sistema de vapor con las siguientes especificaciones: 60% de retorno de condensado; la eficiencia de caldera es 79%, opera a una presión de 100 psig. y consume 130,450 gal/año de búnker. Se suministra a la caldera agua a 170oF, los STD del agua de alimentación son de 350 ppm y la purga de 1,850 ppm. Determine la cantidad de purga y el vapor producido en el proceso. La temperatura del agua fresca [make up] es de 80°F. Determine el porcentaje de purga en peso, vapor producido y pérdida de purga.
Generadores de vapor pirotubulares de espalda húmeda que operan a 125 psi, con retorno de condensado del 75% y agua de alimentación a la caldera a 80°C
Manifold principal de distribución de vapor en el cual se observa que el ingreso del vapor, así como las líneas de vapor a los procesos se distribuye por la parte de arriba para evitar arrastre de condensado.
Usualmente los manifold principales poseen en cada extremo trampas de vapor de cubeta invertida para eliminar el condensado formado en el manifold.
Sistema de intercambiadores de calor de doble tubo, incluyendo autoclaves, depósitos de mezcla de agua y sistema de sanitización en una planta de alimentos.
