CONSTRUCCIONES E INSTALACIONES INDUSTRIALES · • Porque es accesible en gran parte del mundo y se...
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TEMA: PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA
INGENIERÍA DEL VAPOR Docente: Ing. Roberto R. Burtnik. Dto de Ing. Electromecánica. Carrera: Ingeniería Industrial
CONSTRUCCIONES E INSTALACIONES INDUSTRIALES
CURSO 2020
OBJETIVOS DEL TEMA
• Comprender cómo se forma el vapor de agua.
• Conocer cuáles son sus propiedades y como estas varían en función de la presión
• Conocer los principales usos del vapor.
Todo comenzó con la idea de convertir el calor en energía
mecánica, para sustituir la fuerza del hombre o la fuerza
animal y reducir los tiempos.
INTRODUCCIÓN
El vapor de agua es el gas que se forma cuando el agua pasa
del estado líquido al estado gaseoso.
¿Qué es el Vapor de Agua?
Vapor y Gas, ¿Cuál es la diferencia entre uno y otro?
¿Qué dio origen al uso del vapor de agua?
INTRODUCCIÓN
El vapor tomó relevancia a partir del siglo XVIII y a principios
del siglo XIX con la máquina de vapor.
La primera máquina que realmente tenía fines prácticos la
inventó Thomas Newcomen, y su socio Thomas Savery, en
1712 para bombeo de agua de las minas de carbón en
Inglaterra.
Luego en 1774, James Watts mejoró esa máquina para la
industria textil que dio origen a la revolución industrial.
Después aparecieron las locomotoras con la industria minera
y posteriormente el transporte naval que dio origen a la
inmigración.
Un poco de historia - Máquinas a Vapor En 1765-1774, en Kinneil, Inglaterra, James Watt mejoró
la creación de Newcomen y Savery.
En 1804 Richard Trevithick, implemento la
máquina de Watt en trenes
John Fitch 1787 - En 1807, Robert Fulton puso en marcha
la primera línea de navegación fluvial a vapor entre Nueva
York y Albany en 32 hrs.
En 1880 aparecen los primeros motores a vapor
con fines de generación de la firma Sulzer.
• Puede transportar grandes cantidades de energía térmica con
poca masa.
• Posee excelentes cualidades para transferir calor.
• Su temperatura puede regularse controlando su presión.
¿Porqué usamos agua para producir vapor?
• Porque es accesible en gran parte del mundo y se puede
conseguir a un costo relativamente bajo. (Disponibilidad)
• Es químicamente estable a diferentes presiones y temperaturas de
trabajo.
• No es tóxico, ni corrosivo sin la presencia de Oxigeno Disuelto.
INTRODUCCIÓN
Actualmente el vapor se sigue usando como un medio de
transporte de energía térmica para aplicaciones de calefacción
y generación de energía eléctrica, principalmente; entre otras.
• ¿Cuál es la diferencia entre el calentamiento con vapor, y el
calentamiento con agua o aceite?
• Calentamiento con vapor saturado: el vapor calienta por cambio
de estado (cambio de fase). Pasa de la fase gaseosa a la fase
líquida sin modificar su temperatura. (Calor Latente).
• Calentamiento con agua o aceite: calientan por pérdida (ó
descenso) de su propia temperatura. (Calor Sensible)
• Qué ventajas ofrece?
• Para una misma diferencia de temperatura, se acortan los tiempos de
calentamiento debido al mayor flujo de calor por unidad de superficie de
intercambio. (Menor capa límite y caída de presión)
• Por otro lado la cantidad de calor que entrega cada Kgr de vapor es 2 a 5
veces mayor que la cantidad de calor que puede entregar cada Kgr de
agua caliente (Por ejemplo agua saturada después de la condensación).
Recuerden: El calor no se acumula.
Existe cuando se transfiere.
• Velocidad de Calentamiento: La velocidad con que el calor se
transfiere de un medio a otro se mide por el coeficiente global de
transferencia de calor, es decir:
[Kcal/m² ºC]
• Por ejemplo, la relación a la cual el agua transfiere calor a la
superficie es:
860 a 5000 [Kcal/m² ºC]
• Mientras que, la relación a la cual el vapor transfiere el calor a la
superficie de un intercambiador de calor, es:
5000 a 13000 [Kcal/m² ºC]
• Se debe aclarar que este coeficiente de convección varía mucho de un
intercambiador de calor a otro, pero aún así el calentamiento con vapor
muestra una relación de 2 a 5 veces más de capacidad de calentamiento
que con agua.
• Estabilidad: En el caso particular de calentar con vapor
saturado, si se conoce la presión de vapor se puede
determinar su temperatura. Entonces si la presión en el
intercambiador de calor se mantiene, el calentamiento o flujo
de calor por unidad de área de intercambio será la misma y
además se tendrá uniformidad de temperatura en cualquier
punto de la superficie de transferencia de calor.
http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/steam-heat-transfer.html
PROPIEDADES DEL AGUA Y EL VAPOR
• Su punto de ebullición cambia con la presión.
Por ejemplo, a la presión atmosférica en la cima del Everest
(Himalaya/India/China), el agua hierve a unos 68 ºC,
mientras que al nivel del mar este valor sube hasta 100 ºC.
• Símbolo Químico del agua pura: H2O
• El calor específico del agua a 15 ºC: 1 Kcal/Kg ºC.
• Peso especifico: 1 Kg/lt = 1000 Kg/m3 a 4 °C y a 101.3 kPa.
• Compresibilidad: Muy baja cuando está en estado líquido.
¿Cómo se forma el vapor?
100oC
hl : 100 Kcal/kg
0 bar
Presión reinante igual a
la presión ambiente.
Cilindro 100% aislado
Pistón Libre de
Rozamiento
hv: 639 Kcal/kg de vapor Seco
¿Cuánta agua hay en su caldera?
¿Cuánta energía tiene almacenada su caldera? Imagen: El libro del Vapor – Spirax Sarco
Febrero 1997
12
184 oC
10 bar
hv : 664 Kcal/kg de
Vapor Seco
¿CUALES SON LOS EFECTOS DE LA PRESIÓN
SOBRE LA FORMACION DE VAPOR?
Pistón Libre de
Rozamiento
Ahora colocamos un peso
que ejerza una presión
sobre el líquido,
supongamos 10 bares.
Concepto: Relación entre la temperatura del vapor y su presión
hl : 184 Kcal/kg
Se puede formar vapor sin aporte de calor? Vapor flash o Revaporizado
Imagen: El libro del Vapor – Spirax Sarco – Febrero 1997
A mayor presión el punto de
ebullición se incrementa
EFECTOS DE LA PRESION SOBRE EL CONTENIDO
DE ENERGIA EN FORMACION DEL VAPOR
Presión = 1 kg/cm2 Abs. Presión = 10 kg/cm2 Abs
Imagen: El libro del Vapor – Spirax Sarco – Febrero 1997
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EFECTOS DE LA PRESIÓN SOBRE EL
VOLUMEN ESPECÍFICO DEL VAPOR
A presión atmosférica
Agua Líquida, v: 1 l/kg A 10 Bares v: 177 l/kg
A presión atmosférica
v: 1673 l/kg
Imagen: El libro del Vapor – Spirax Sarco – Febrero 1997
TABLAS Y DIAGRAMAS DEL VAPOR DE AGUA
• A partir de numerosos ensayos se ha comprobado que existe una relación bien definida entre la presión y la temperatura con que el agua se satura y se forma el vapor, junto con las demás propiedades como su contenido de energía y su volumen específico.
• Por tal motivo y para fines práctico estos valores se han agrupados en tablas.
• También existen diagramas.
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Resumen de una Tabla de Vapor Saturado Según la Presión
Entalpía en kcal/kg
Presión
Manom.Temp. Agua Evaporación Vapor
Volúmen
específico del
vapor
Bar m ºC hf hfg hg m3/kg
0 100 100 539 639 1,673
1 120 120 526 646 0,881
2 134 134 517 651 0,603
3 144 144 510 654 0,461
4 152 152 504 656 0,374
5 159 160 498 658 0,315
6 165 165 494 659 0,272
7 170 171 489 660 0,24
8 175 176 485 661 0,215
9 180 181 482 663 0,194
10 184 186 478 664 0,177
11 188 190 475 665 0,163
12 192 194 472 666 0,151
13 195 198 469 667 0,141
14 198 201 467 668 0,132
EFECTOS DE LA PRESIÓN EN LA TRANSMICION DEL CALOR Y FORMACION DEL VAPOR
El tamaño de la burbuja de vapor también depende de la presión. Este
efecto es sumamente importante en la operación del generador de Vapor.
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VAPOR SATURADO SECO VS VAPOR HÚMEDO,
¿Cuál es la diferencia?
Si mi caldera produce vapor húmedo a
que temperatura esta el vapor?
Qué perjuicios ocasiona producir vapor húmedo?
Cómo mejoro la calidad del vapor que genero?
Cuáles son las causas por las cuáles mi caldera
produce vapor húmedo?
¿?
Vapor saturado seco es aquel que no tiene gotitas de agua líquida en
suspensión. La mezcla de agua en estado líquido y en estado
gaseoso recibe el nombre de vapor húmedo.
¿El vapor que genera una caldera, es saturado o es húmedo?
SISTEMAS PARA MEJORAR LA CALIDAD
DEL VAPOR EN LA DISTRIBUCIÓN
http://www.spiraxsarco.com/global/es/
Products/Documents/IM/P023-55.pdf
http://teyvi.es/author/admin/
Separadores de gotas:
• Eliminan la humedad del vapor.
• Mantienen la eficiencia de transferencia de
calor.
• Reducen la erosión y corrosión en su
sistema de vapor.
• Reducen las incrustaciones en la tuberías
y superficies de transferencia de calor.
Manifold
¿DÓNDE SE USA EL VAPOR SATURADO?
Algunos ejemplos de Intercambiadores de calor
http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/heating-with-
steam.html
Purgador
Eliminador aire
Marmita Practical steam trapping
Spirax Sarco
Imagen: Spirax Sarco
Imagen: Spirax Sarco
¿Qué parte de la energía del vapor se aprovecha en estos equipos?
CONDENSACIÓN DEL VAPOR
El proceso de condensación es exactamente inverso al proceso de la
ebullición.
Cuando se añade calor el agua se convierte en vapor. Cuando el vapor
cede ‘calor’ se condensa a temperatura constante.
El agua así formada recibe el nombre de ‘CONDENSADO’. Ingreso de Vapor a un
intercambiador caliente
(Baja Demanda de Energía)
Ingreso de Vapor a un
intercambiador inicialmente
frío (Alta demanda de Energía)
Qué pasa cuando tenemos anegamiento en un intercambiador de calor que
usa vapor? Cómo puedo saber si los radiadores que tengo trabajan anegados?
Imagen: El libro del Vapor – Spirax Sarco – Febrero 1997
PROBLEMAS EN LA TRANSFERENCIA DE CALOR
• Una película de agua de sólo 0,25 mm. de espesor ofrece la
misma resistencia a la transferencia de calor que una pared de
hierro de 17 mm. o una de cobre de 130 mm.
Imagen: El libro del Vapor – Spirax Sarco – Febrero 1997
http://www.monografias.com/trabajos106/curso-vapor-purga-y-
eliminacion-aire-instalaciones-industriales/curso-vapor-purga-
y-eliminacion-aire-instalaciones-industriales3.shtml
• Mientras que una película de aire de sólo 1 mm. de espesor puede
ofrecer la misma resistencia al flujo de calor que una película de
agua de 25 mm, una de hierro de 1700 mm.
USO DE LAS TRAMPAS PARA VAPOR
• Las trampas para vapor son válvulas automáticas que
permiten descargar condensado (y en algunas gases
incondensables como el aire), sin dejar escapar el vapor.
• Si están bien seleccionadas evitan el anegamientos en los
intercambiadores (y tuberías de distribución).
• Prácticamente eliminan las pérdidas innecesarias de vapor
cuando hay baja demanda.
• Purgar gases incondensables.
• Las trampas se dividen en
tres grandes grupos:
• Trampas Termostáticas
• Trampas Termodinámicas
• Trampas Mecánicas
En cualquiera de ellas su
capacidad de descarga
depende principalmente de su
tamaño y de la presión
diferencial que han de trabajar.
VAPOR FLASH O REVAPORIZADO
Descarga depresión la a latententeCalor
(kJ/kg) Agua del senciblecalor de Exceso.Re.Pr vapop
¿Dónde frecuentemente se genera vapor flash?
EJEMPLO DE RECUPERACION DE FLASH
Imagen tomada de Spirax Sarco Imagen: El libro del Vapor – Spirax Sarco – Febrero 1997
CIRCUITO DEL VAPOR • VAPOR PARA PROCEOS INDUSTRIALES DE CALEFACCION:
Analicemos el ciclo del agua…..
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VAPOR SOBRECALENTADO
(Vapor para potencia) Es vapor que se recalienta a una temperatura por encima de su punto
de saturación (Temperatura a la cual el vapor se formó), lo que
significa que su estado queda definido por su presión y su
temperatura. ¿Dónde normalmente se usa?
Normalmente se usa para el accionamiento de
turbinas de vapor con fines de generación de
energía eléctrica y propulsión de bombas.
http://www.powerengineeringint.com/articles/print/volume
-24/issue-4/features/advancing-steam-turbine-
technology.html
Sobrecalentador
EJEMPLOS DE CALDERAS DE POTENCIA
http://sdhengtao.en.made-in-china.com/product/aKOnhSCPlskL/China-
Import-Boiler-Parts-Steam-Boiler-Super-Heater-From-China-
Supplier.html