Generación de Vapor - Alojamientos Universidad de … 2 Objetivo •El vapor es el fluido más...

Generación de Vapor

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Objetivo

• El vapor es el fluido más utilizado en la industria, como medio de transferencia de calor.

• Se pretende proporcionar un mejor conocimiento del vapor, de los sist de generación, y de los sist de distribución, para que los técnicos responsables del diseño, montaje, operación, y mantenimiento puedan obtener mejoras en la producción y en la eficiencia energética.

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¿Qué es el vapor?

• Es un fluido utilizado para proporcionar fuerza motriz y energía calorífica

• Es el medio natural más eficiente de transferencia de calor en la industria

• El vapor es incoloro, inodoro y estéril

• Muchas industrias utilizan el vapor como transportador de energía.

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¿Qué es el vapor?

Aplicando calor:• El hielo pasa a líquido• La temperatura del líquido aumenta• El líquido se convierte en gas (vapor saturado)• El vapor saturado se obtiene vapor sobrecalentado

Centraremos la atención en las fases líquido/gas y en el cambio de una a la otra.

• El agua puede estar en tres estados:

Sólido Líquido Gas (vapor)

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¿Cómo se obtiene el vapor?

• Si se añade calor al agua, su temperatura aumenta hasta alcanzar un valor llamado: Temperatura de saturación

• Un nuevo aporte de energía hará que el agua hierva y se convierta en vapor.

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¿Cómo se obtiene el vapor?

• La evaporación requiere una cantidad importante de energía y mientras se está produciendo, el agua y el vapor formado tienen la misma temperatura

• Cuando el vapor libera esta energía se convierte en agua, sin cambio de temperatura.

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¿Para qué se usa el vapor?

• En las instalaciones industriales, el vapor se destina a tres (3) fines, que en muchos casos pueden darse simultáneamente:

• Vapor como materia prima para el proceso (vapor perdido)

• Vapor como fuente de energía térmica en el proceso (transporte de energía)

• Vapor como fuente de energía mecánica para producción de trabajo directamente o bien como transformación previa a energía eléctrica (turbinas).

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¿Para qué se usa el vapor?

Agua + Calor = Vapor

Vapor − Calor = Agua

El vapor es un transportador energía.

Cuando el vapor actúa como un transportador de energía, traslada parte de la energía del combustible, desde el generador de vapor a los diferentes puntos de la instalación.

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¿Dónde se usa el vapor?

•En la actualidad se usa como fuerza motriz en la producción de energía eléctrica (turbinas) y como medio de transferencia de calor en procesos muy diversos (Calentar, Evaporar, Fundir, Esterilizar, Secar, Humidificar, Cocinar, Lavar, Planchar) y en multitud de industrias:

�Petroquímicas� Gasolinas, Aceites, Transporte productos pesados,

etc.

�Químicas� Plásticos, Pinturas, Colorantes, Conservantes,

Lacas, Fertilizantes, Detergentes, etc.

� Farmacéuticas� Autoclaves de esterilización.

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� Automóvil y Aeronáutica� Neumáticos, Aire secado pintura, Tratamiento

metales, etc.

� Astilleros� Barcos equipados con procesos industriales

y/o servicios

� Textil� Fibra sintética, Tintes, Planchado, Lavado, etc.

� Papeleras y Cartoneras� Secado de pasta.

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�Alimentación� Lácteas, Cárnicas, Conserveras, Azucareras,

Aceites, Cerveceras, Piensos, Refrescos, Zumos, Destilerías, Tabaco, etc.

� En procesos para esterilizar, cocer, secar, humidificar, calentar agua de limpieza, etc.

�Servicios� Lavanderías, Hospitales, Hoteles, Universidades � En procesos para lavar, secar, cocinar,

humidificar, calefacción.

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¿Porqué se usa el vapor?

• Para su producción se utiliza agua:� Abundante, Barata, Fácil de obtener, No

presenta problemas Medioambientales.

• Es muy controlable:� A cada presión le corresponde una

temperatura, una energía específica, un volumen específico (a mayor presión – mayor temperatura)

� Rapidez de respuesta.� Con vapor saturado y seco la transferencia de

calor se efectúa a temperatura constante.

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• Transporta cantidades de energía elevadas por unidad de masa:� Tuberías más pequeñas, Menores superficies

de intercambio en los procesos (equipos terminales más pequeños),y menor cantidad de fluido usado

• Es estéril y de fácil distribución y control.

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• En las redes de distribución de líquidos se necesitan equipos mecánicos de bombeo para asegurar la circulación en el sentido deseado.

• Cuando se trabaja con vapor no es necesario un equipo mecánico específico para promover la circulación del vapor, puesto que el vapor se autotransporta, aunque a base de consumir parte de la energía aportada por el combustible.

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• El agente motor del vapor es la diferencia de presión en la red.

• En este sentido la ventaja esta relacionada con la desaparición de las exigencias de mantenimiento y reparaciones del equipo mecánico , además de eliminar el consumo de energía eléctrica de las bombas.

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• En la mayoría de las instalaciones se requiere suministrar energía térmica al proceso en diferentes condiciones de presión y temperatura.

• Esto es más fácil de realizar con el vapor que con el líquido, a lo que hay que añadir la posibilidad de un mejor aprovechamiento del calor aportado al agua en el generador, pues con el vapor se puede escalonar el uso de vapores de características más degradadas. (recuperación de revaporizados)

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Gráfico temperatura – entalpía.

Punto inicio evaporación

agua saturada

Línea evaporación

Punto vapor saturado

200 oC

0 oC

Tem

pera

tura

(oC

)

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0Fracción seca

Entalpía total

Entalpía del agua

Entalpía de evaporación

Línea agua

Línea vapor sobrecalentado

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Tablas del vapor.

ENTALPIA ESPECIFICA Presión

manomé-trica (bar )

Temp. ºC

AguakJ / kg

EvaporaciónkJ / kg

TotalkJ / kg

Volumen específico

m3 / kg

01234567

100120.42133.69143.75151.96158.92165.04170.5

419506562605641671697721

22572201216321332108208620662048

26762707272527382749275727632769

1.6730.8810.6030.4610.3740.3150.2720.24

Presión absoluta

bar

12345678

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Tablas del vapor.

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Terminología y unidades

• Entalpía:� Energía total de un fluido� Kilojoule (kJ) o kilocaloría (kcal)

• Entalpía específica:� Energía por unidad de masa� kJ/kg ó kcal/kg

• Capacidad calorífica específica:� Capacidad que posee un sustancia para absorber calor� Energía requerida por 1 kg para aumentar su temperatura 1ºC

• Calor y transferencia de calor:� Calor es una forma de energía� Transferencia de calor es el flujo de entalpía de una materia

de alta temperatura a otra de temperatura menor, cuando están en contacto.

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Terminología y unidades

• Entalpía del agua saturada:� Entalpía del agua a la temperatura de saturación

• Entalpía de evaporación:� Entalpía que produce un cambio de estado de agua a

vapor sin variación de temperatura• Entalpía del vapor saturado:

� Suma de entalpía del agua saturada y entalpía de evaporación

• Presión relativa y absoluta:� Relativa es la que se lee en un manómetro (bar r)� Absoluta es la suma de la relativa y la atmosférica (bar ab)

• Volumen específico:� Volumen por unidad de masa (m3/kg)� El volumen ocupado por una masa de vapor depende de su

presión. Disminuye cuando la presión aumenta.

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Calidad del vapor

• Vapor Saturado

• Vapor Húmedo

• Vapor Sobrecalentado

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Vapor saturado

• Es un vapor formado de agua totalmente evaporada

• No contiene gotas de agua líquida

Es importante que el vapor utilizado para procesos sea lo más seco posible

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Vapor húmedo

• Es un vapor que contiene gotas de agua en suspensión

• Se conoce como título del vapor a la proporción de vapor seco � Título 0,9 indica 90% de vapor y 10% de agua

• El vapor húmedo aumenta la erosión y reduce la transferencia de calor

• La entalpía ‘real’ de evaporación del vapor húmedo es el producto de la fracción seca y la entalpía específica de evaporación, de las tablas de vapor.

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Vapor sobrecalentado

• Es un vapor que se encuentra a cualquier temperatura por encima de la del vapor saturado

• Si la transferencia de calor continúa después de evaporarse todo el agua, la temperatura del vapor seguirá aumentando

• Se utiliza habitualmente para turbinas• También puede producirse vapor

sobrecalentado en una reducción de presión.

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Condensación del vapor y Transferencia de calor

Cuando el vapor condensa cede calor (entalpía de evaporación)

• En un recipiente con un producto calentado con vapor a través de un serpentín, el vapor condensa cediendo su entalpía de evaporación a la pared metálica del serpentín, el cual la transfiere al producto

• A medida que el vapor condensa, se forma agua que debe ser drenada (purgadores automáticos).

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Transferencia de calor

La superficie del serpentín se conoce como:Superficie de calefacción

La cantidad de entalpía transferida del vapor al producto es:Q = U · S · (Tv - Tp)U: Coeficiente de transferencia de calorS: Superficie de calefacciónTv: Temperatura del vaporTp: Temperatura del producto.

Válvula control

Purgador


Cantidad de vapor

•El calor o entalpía en un proceso se calcula con la fórmula: Q = M × Ce × (Tf − Ti)

Q: Calor (kJ ó kcal)M: Masa (kg/h)Ce: Calor específico (kJ ó kcal/kg ºC)

(agua: 4,186 kJ/kgºC ó 1 kcal/kgºC)Tf/Ti: Temperatura final/inicial (ºC)

•Ejemplo:Cálculo del caudal de vapor a 5 bar r. para calentar 10.000 litros/h de agua de 20 a 50 ºC

Q = 10.000 kg/h × 1 kcal/kg ºC × (50 − 20) ºC = 300.000 kcal/hCalor latente o entalpía de evaporación a 5 bar = 499 kcal/kgCaudal de vapor = 300.000 kcal/h ÷ 499 kcal/kg = 601 kg/h.

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Barreras en la transferencia de calor.

Pared metálica

Capas de suciedad Producto

Producto a

calentarVapor

Aire Condensado

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Suciedad en el vapor

• La suciedad en el vapor es causada por:� Arrastre de sólidos del agua de caldera� Corrosión en tuberías� Restos de soldadura� Exceso de material en juntas � Productos para sellado de roscas

NOTA: Las partículas de un cierto tamaño pueden ser retenidas con la instalación de filtros, pero los arrastres de sólidos de caldera solo se evitan con un correcto equipamiento.

Filtro

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Agua en el vapor

• La presencia de agua en el vapor reduce la energía calorífica por unidad de masa, disminuyendo la trasferencia de calor

• Además, las gotas de agua transportadas por el vapor producen mayor erosión

• En procesos que precisen vapor muy seco es recomendable la instalación de un separador.

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Aire en el vapor

• La presencia de aire en el vapor tiene un efecto negativo, anulando la transferencia de calor

• Los materiales aislantes más efectivos están constituidos por materiales no conductores con células de aireEl aire entra por:� El vacío resultante del apagado de la caldera

o paro de los procesos� Alimentación de agua en la caldera con O2

(tratamiento incorrecto).

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La ley de Dalton

‘Establece que en una mezcla de gases o vapores, la presión total es la suma de las presiones parciales’

• Cada constituyente se comporta como si ocupara el volumen solo y es independiente de la presencia de los otros

• La presión de cada constituyente es conocida como su presión parcial

• Si hay una mezcla de vapor y aire la presión total es igual a la presión parcial del vapor más la presión parcial del aire.

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Ejemplo de la ley de Dalton

• Si la presión total de una mezcla vapor/aire es 2 bar a y está formada por 3 partes de vapor y 1 parte de aire:� Presión parcial del vapor = 3/4 x2bar a = 0,5bar a� Presión parcial del aire = 1/4 x2 bar a= 1,5bar a� Presión total de la mezcla = 0,5+1,5 = 2 bar a=1 bar r

• De las tablas del vapor:� Temperatura del vapor saturado a 0,5 bar r: 111,6 ºC � Temperatura esperada de la presión manométrica

de 1 bar suponiendo que sólo hay vapor: 120 ºC� Cualquier aplicación calorífica de esta mezcla de

vapor/aire se comportaría como si recibiera vapor a 0,5 bar r , aunque el manómetro indique 1 bar

� Si la aplicación necesita la temperatura de 1 bar r no conseguirá el rendimiento deseado.

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Ejemplo de la ley de Dalton

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Eliminación de agua y aire en el vapor

• Solución a los problemas de agua y aire:� Instalación de Purgadores� Instalación de Eliminadores

• Son válvulas automáticas que abren en presencia de agua o aire y cierran con vapor

Purgador

Eliminador aire

Marmita

Purgador

Eliminador aire

Final tubería

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Revaporizado

• Cuando el condensado pasa de unas condiciones de presión y temperatura, a una presión inferior con una temperatura de saturación más baja que la inicial, parte del condensado se convierte en Revaporizado.

Drenaje de condensado con revaporizado

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Cantidad de revaporizado

Vapor7 bar r170,5 ºC2769 kj/kg1000 kg/h

Condensado entrada purgador7 bar r170,5 ºC721 kj/kg1000 kg/h

2048 kj/kg al proceso

Condensado salida purgador0 bar100 ºC419 kj/kg

Revaporizado721 - 419 = 302 kj/kg302 : 2257 = 0,131000 x 0,13 = 130 kg/h

Condensado867 kg/h

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Circuito típico de vapor

Vapor

Vapor

Condensado

Condensado

BombaTanque

Aportación agua

Marmita

Depósito conserpentín Intercambiador

Caldera


Circuito de vapor

• El vapor debe estar disponible en los puntos de consumo cumpliendo lo siguiente:� Cantidad suficiente

� Una indicación de falta de caudal es una bajada en la presión

� Presión y temperatura correcta� Atención a la pérdida de carga en las tuberías

� Libre de aire, Limpio y Seco� Evitar especialmente los arrastres de agua con

el vapor que sale de la caldera

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Calderas de vapor

• La caldera es el equipo que convierte agua en vapor aplicando calor

• De su correcta elección y equipamiento depende en buena parte el rendimiento total del sistema

• Hay dos tipos de calderas, según la disposición de los fluidos:� Pirotubulares� Acuotubulares.

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Calderas pirotubulares

• Calor por el interior de los tubos

• Agua por el exterior de los tubos

• Para presiones máximas de 20 bar y consumos hasta 30 T/h

• Son económicas, de alto rendimiento y fácil mantenimiento.

Cámara de evaporación

2º paso (tubos)

1º paso (horno)

VaporGases de combustión

Quemador

Cámara de evaporación

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Calderas acuotubulares

• Calor por el exterior de los tubos

• Agua por el interior de los tubos

• Son más seguras • Se usan normalmente

para presiones altas.

Calor

Agua

Vapor

Domo inferior

Domo superior

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Equipamiento calderas

• Es importante que las calderas incorporen los equipos más adecuados para cumplir normativas de seguridad, asegurar un correcto funcionamiento y obtener la máxima eficiencia en la generación de vapor.

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Equipamiento calderas

• Los objetivos del equipamiento de una caldera son:

� Funcionamiento� Seguridad� Eficiencia.

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Equipamiento por funcionamiento

• Sistema control nivel de agua

• Bomba alimentación agua

• Quemador combustible

• Presostatos• Válvulas

interrupción, Manómetros, etc.

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Control de nivel en calderas

• El control de nivel regula la alimentación de agua a la caldera. Existen dos tipos:Control todo/nada: � Actúa sobre la bomba de alimentación en dos

niveles de agua preestablecidos

Control modulante: � Actúa sobre una válvula eléctrica o

neumática de forma proporcional, para mantener un nivel de agua preestablecido.

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Control de nivel todo / nada.

Sonda conductiva

Controlador

Bomba aguaalimentación

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Control de nivel modulante.

Bomba aguaalimentación

Válvula

Sonda capacitiva

Recirculación

Controlador

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Ventajas del control de nivel modulante

• Presión y caudal de vapor más estable• Mayor eficiencia en la operación del

quemador• Menor fatiga térmica sobre la pared de la

caldera• Menor arrastre de agua con el vapor• Puede usar una estación central de bombeo.

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Equipamiento por seguridad

• Indicadores de nivel

• Alarmas de nivel

• Válvulas de seguridad

• Válvulas de retención alimentación agua

• Presostato

• Normativas de construcción y ubicación.

• Supervisión de las calderas

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Indicadores de nivel.

Nivel agua normal(control modulante)

Alarma de nivel alto (opcional)

Paro bomba o válvula cerrada

Marcha bomba o válvula abierta

1ª Alarma de nivel bajo2ª Alarma de nivel bajo

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Alarmas de nivel

• Las alarmas de nivel detectan niveles bajo o alto y paran la caldera. Existen dos tipos:Alarmas de nivel estándar: � Para sala de calderas con vigilancia continua

Alarmas de nivel de alta seguridad:� Con auto verificación � Para sala de calderas sin vigilancia continua.

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Sistemas de vigilancia de las calderas

• Nuevo Reglamento de Equipos a Presión REP.• Instrucción Técnica Complementaria ITC-EP1 Calderas

(RD 2060/2008, de 12 de diciembre. BOE 05-02-09)

• Artículo 7. Sistemas de vigilancia de las calderas.• Las calderas incluidas en el ámbito de aplicación de la

presente ITC dispondrán del sistema de vigilancia indicado por el fabricante en las instrucciones de funcionamiento.

• El operador de la caldera deberá realizar las comprobaciones adecuadas de los controles, elementos de seguridad y de la calidad del agua de alimentación para asegurarse del buen estado de la caldera.

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• El sistema de vigilancia cumplirá los siguientes requisitos:

• 1. Vigilancia directa.• El operador de la caldera debe asegurar su presencia

en la sala de calderas o en sala con repetición de las señales de seguridades, para poder actuar de forma inmediata en caso de anomalía.

• En dicho local, debe existir un pulsador de emergencia que pare inmediata-mente el sistema de aporte calorífico de forma segura y que active los sistemas de disipación de energía que hayan sido diseñados.

• Si el fabricante no ha indicado instrucciones para la vigilancia de la caldera, se considerará como de vigilancia directa.

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• 2. Vigilancia indirecta.

• Los intervalos de comprobación de los sistemas de control y seguridad para que el funcionamiento de la instalación sea seguro serán indicados por el fabricante de la caldera.

• El sistema de vigilancia de la caldera estará relacionado con los dispositivos de control de los que disponga.

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• En las calderas que, de acuerdo con las instrucciones de funcionamiento del fabricante, puedan funcionar de forma automática, sin presencia del personal de conducción en la sala de calderas, el operador deberá realizar comprobaciones funcionales para asegurar la operatividad de sus sistemas de control y seguridad Se consideran adecuados los sistemas de control y seguridad indicados en las normas UNE-EN 12953 y 12952 o cualquier otra norma equivalente que pueda utilizar el fabricante.

• En caso de fallo de controles o seguridades requerirá la utilización de las instrucciones de emergencia, debiéndose pasar a vigilancia directa hasta la subsanación de la anomalía.

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Equipamiento por eficiencia

• Tratamiento del agua de alimentación

• Control purgas de caldera

• Recuperación de calor en las purgas

• Control de la combustión

• Recuperación de calor en los humos de combustión.

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Agua de alimentación de caldera

• El agua de alimentación debe ser tratada para: � Minimizar la corrosión en la caldera, en el

sistema de distribución del vapor y retorno de condensados

� Evitar la formación de incrustaciones en la caldera

� Minimizar la formación de espumas y arrastres de agua de caldera con el vapor, con el fin de obtener un vapor limpio y seco.

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• Nuevo Reglamento de Equipos a Presión REP.• Instrucción Técnica Complementaria ITC-EP1

Calderas (RD 2060/2008, de 12 de diciembre. BOE 05-02-09)

• Artículo 8. Agua de alimentación y agua de la caldera.

• Para todas las calderas de vapor y de agua sobrecalentada deberá existir un tratamiento de agua eficiente que asegure la calidad de la misma, así como de un régimen adecuado de controles, purgas y extracciones.

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• Se considera adecuado el indicado en las normas UNE-EN 12953-10 y 12952-12.

• Así mismo, podrá utilizarse cualquier otra norma que aporte seguridad equivalente, debiéndose en este caso acompañarse un informe favorable de un organismo de control autorizado.

• Será obligación del usuario mantener el agua de las calderas, como mínimo, dentro de las especificaciones de las normas citadas en el párrafo anterior.

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• A estos efectos, el usuario realizará o hará realizar los análisis pertinentes y, si es necesario, instalará el sistema de depuración que le indique el fabricante, una empresa especializada en tratamiento de agua, o el diseñador de la instalación.

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Calidad del agua de caldera.



Parámetro UnidadAgua en caldera vapor que utiliza:

Agua alimentación con conductividad

> 30 µS/cm


≤ 30 µS/cm

Presión de servicio bar > 0,5 a 20 > 0,5

Conductividad a 25 ºC µS/cm < 6000 * < 1500

pH a 25 ºC 10,5 a 12 10 a 11

Norma UNE EN-12953-10 para calderas pirotubulares (anula y sustituye a la norma UNE 9075)

* El valor de conductividad con recalentador será el 50% del indicado

La norma también hace referencia a otros parámetros (concentración de silice, fosfato, etc)



Norma UNE EN-12952-12 para calderas acuotubulares (anula y sustituye a la norma UNE 9075)

* El valor de conductividad con recalentador será el 50% del indicado

La norma también hace referencia a otros parámetros (concentración de silice, fosfato, etc) y otros valores cuando la conductividad del agua de alimentación es ≤ 0,2 µS/cm.

Parámetro UnidadAgua en caldera vapor que utiliza:


> 30 µS/cm


≤ 30 µS/cm

Presión de servicio

bar > 0,5 a 20 > 20 a 40 > 40 a 60 > 0,5 a 60 > 60 a 100

Conductividad a 25 ºC

µS/cm < 6000 * < (6000 a 3000) *

< (3000 a 1500) *

< (1500 a 800)

< (800 a 250)

pH a 25 ºC 10,5 a 12 10,5 a 11,8 10,3 a 11,5 10 a 11 9,8 a 10,5

Miguel Ángel López 2009 CETAMINE ------ 69


TRATAMIENTO TIPICO DE AGUA DE CALDERA• Descalcificador o Osmosis Inversa.• Fosfatos• Secuestrantes de Oxígeno (sulfitos, hidracina,

Dietilhidroxilamina DEHA)• Dispersantes, agentes anti-incrustantes• Aminas neutralizantes• NOTA: La dosificación no tiene en cuenta el retorno de

condensados• NOTA: La dosificación debería de variar en función de

la temperatura del deposito de alimentacion a calderas.

• NOTA: Toxicidad. Ver productos FDA (Aptos para UsoAlimentario)


Enfriador de muestras



• Tomar las muestras de agua de la caldera directamente, es poco seguro, y da un error sobre el valor real interno, por el revaporizado que se forma al pasar el agua de una presión y temperatura alta, a la presión atmosférica en donde no puede estar a más de 100 ºC.

• El revaporizado que se forma no se lleva sales y por tanto el agua residual queda más concentrada.



Salida agua refrigeración

Intercambiador de calor

Salida muestra

Válvula entrada muestra

Válvula entrada agua refrigeración

• Esto se resuelve haciendo pasar la muestra por un pequeño intercambiador que se le hace pasar agua fría.

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Temperatura del agua de alimentación

Para reducir el contenido de oxígeno y por tanto el tratamiento químico, es conveniente que la temperatura del agua sea la máxima que permita la bomba de alimentación a caldera, y la presión del depósito.

Temperatura del agua ( oC)

Con

teni

do d

e ox

igen

o (p

pm)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Eliminación del Oxigeno en el agua

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• El agua fría absorbe oxígeno y otros gases que se liberan cuando se calienta

• Es esencial retirar el oxígeno disuelto antes de que se libere dentro de la caldera para prevenir la corrosión en la caldera y en el sistema de vapor

• Es posible eliminar el oxigeno por tratamientos químicos o calentando el agua

• Calentando el agua se elimina la mayor parte del oxigeno y puede reducirse en un 75% la cantidad de productos químicos eliminadores de oxigeno necesarios

Variación Oxigeno - Temperatura

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Depósito de alimentación incorrecto

Agua de aportaciónRetorno de Condensado

Si no se produce una buena mezcla del agua fría y el condensado con

temperatura alta, se pierde energía.

Revaporizado perdido

Cabezal Mezclador para depósito

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Deposito de alimentación – eficaz.

Agua de aportación

Revaporizadode las purgas

Cabezal mezclador y desaireador

Venteo

Control de nivel

Control de temperatura

Tanque alimentación

Retorno decondensados

a Caldera

Sistema de recirculación

Depósito alimentación esquema

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Deposito de Alimentación a Calderas

• ITC-MIE-AP-02: TUBERÍAS PARA FLUÍDOS RELATIVOS A CALDERAS• Orden de 6 de octubre de 1980, por la que se aprueba la Instrucción

Técnica Complementaria MIE-AP2 del Reglamento de Aparatos a Presión sobre “Tuberías para fluidos relativos a calderas” B.O.E. Nº 265 publicado el 4/11/1980.

• La tubería de llegada de agua al depósito de alimentación tendrá una sección tal que asegure la llegada del caudal necesario para el consumo de la caldera en condiciones máximas de servicio, así como para los servicios auxiliares de la propia caldera y de la sala de calderas.

• La tubería de alimentación de agua tanto a calderas como a depósitos, tendrá como mínimo 15 mm. de diámetro interior, excepto para instalaciones de calderas con un PV menor o igual a 5, cuyo diámetro podrá ser menor, con un mínimo de 8 milímetros, siempre que su longitud no sea superior a un metro.


Deposito de Alimentación a Calderas• Las tuberías de vaciado de las calderas tendrán como mínimo 25

mm. de diámetro, excepto para calderas con un PV menor o igual a cinco, cuyo diámetro podrá ser menor, con un mínimo de 10 mm., siempre que su longitud no sea superior a un metro.

• Todos los accesorios instalados en la tubería de llegada de agua proveniente de una red pública serán de presión nominal PN 16, no admitiéndose en ningún caso válvulas cuya pérdida de presión sea superior a una longitud de tubería de su mismo diámetro y paredes lisas igual a 600 veces dicho diámetro.

• La alimentación de agua a calderas mediante bombas se hará a través de un depósito, quedando totalmente prohibido la conexión de cualquier tipo de bomba a la red pública.

• Aunque el depósito de alimentación o expansión sea de tipo abierto, estará tapado y comunicado con la atmósfera con una conexión suficiente para que en ningún caso pueda producirse presión alguna en el mismo. En el caso de depósito de tipo abierto con recuperación de condensados, esta conexión se producirá al exterior. En el caso de depósito de tipo cerrado, dispondrá de un sistema rompedor de vacío.


Deposito de Alimentación a Calderas

• Todo depósito de alimentación dispondrá de un rebosadero cuya comunicación al albañal debe poder comprobarse mediante un dispositivo apropiado que permita su inspección y constatar el paso del agua.

• Los depósitos de alimentación de agua y de expansión en circuito de agua sobrecalentada y caliente dispondrán de las correspondientes válvulas de drenaje.

• En la instalación de sistemas de tratamiento de agua de alimentación a calderas deberá instalarse a la entrada del mismo una válvula de retención si se conecta directamente a una red pública.

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Producción de vapor

Vapor limpio y seco

Agua de alimentación con impurezas Acumulación

de impurezas en la caldera

Eliminación de impurezas.

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Producción de vapor (ejemplo)

Agua alimentación con:

250 ppm = 0,25 gr / litro

Producción vapor: 10.000 kg / h

Acumulación de impurezas :

1 Hora: 0,25 x 10.000 = 2,5 kg

10 Horas: 2,5 x 10 = 25 kg

100 Horas:2,5 x 100 = 250 kg

PURGANDO

¿Cómo evitarlo?

¿Cuanto?

¿Cómo?

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¿Cuanto purgar? (ejemplo)

Agua alimentación con :

250 ppm = 0,25 gr/litro

Producción vapor : 10.000 kg/h

Valor de sales recomendado :

Entre 2000 y 4000 ppm

(dependiendo de la caldera)

ppm(entrada) x Producción 250 x 10.000Cantidad purga = = = 909 kg/h

ppm (deseado) – ppm (entrada) 3000 – 250

· Pérdidas de energía+ Purga · Pérdidas de agua

· Pérdidas de tratamiento

· Aumento de sales– Purga · Aumento de espumas

· Arrastre de agua con vapor


Purga de caldera excesiva

• Reducir la purga de caldera significa ahorrar energía, agua y tratamiento. A continuación hacemos un ejemplo de ahorro energético:

(a) Presión de servicio 10 bar r

(b) Producción vapor (media anual) 8.000 kg/h

(c) Conductividad agua alimentación (media anual) 400 µS/cm

(d) Conductividad agua caldera (media anual) 3.500 µS/cm

(e) Conductividad agua caldera (valor recomendado) 5.000 µS/cm

(f) Horas/año funcionamiento 6.000 h/año

(g) Coste combustible (gas natural) 0,021 €/kWh

Dat

os











(h) Purga realizada: (c × b) ÷ (d − c) 1.032 kg/h

Dat

osCálcu

los












(i) Purga recomendada: (c × b) ÷ (e − c) 696 kg/h

Dat

osCálcu

los













(j) Reducción de purga: 1.032 − 696 336 kg/h

Dat

osCálcu

los














(k) Ahorro de energía: (Entalpía agua caldera − Entalpía agua aportación) × j = (781,6 kJ/kg − 84 kJ/kg) × 336 kg/h ÷ 0,9 (rendim. caldera) 260.000 kJ/h

Dat

osCálcu

los














(k) Ahorro de energía: (Entalpía agua caldera − Entalpía agua aportación) × j = (781,6 kJ/kg − 84 kJ/kg) × 336 kg/h ÷ 0,9 (rendim. caldera) 260.000 kJ/h

Ahorro anual: (k ÷ 3600 kJ/kWh) × g × f 9.100 €/año

Amortización equipo control de sólidos disueltos (instalado) 8 meses

Dat

osCálcu

los


Purga de caldera inferior a la necesaria

Valor alto de sólidos en suspensión

Suciedad en válvulas de control

Ensuciamiento de intercambiadores

Bloqueo de purgadores.

ISV1-VaGeDis_604 96

¿Cómo purgar la caldera?

Sonda conductiva

Controlador

Válvula control purga

Enfriador de muestras.

Sistema Automático de Control de Sales

Purga de fondo (lodos)

ISV1-VaGeDis_604 97

Sistema automático de control de sales

• Mantiene el nivel de sólidos disueltos (TDS) en caldera, cerca del valor máximo permitido para minimizar pérdidas de calor y costes de tratamiento

• Previene un valor de concentración de sales demasiado alto que causaría arrastres de agua sucia con el vapor

• Proporciona estas ventajas con el mínimo de atención manual.


Purga de fondos temporizada

Válvula con actuador neumático

Temporizador

Cabezalventeador

Tanquede

Purgas

Caldera

� Para eliminar lodos deben hacerse varias purgas cortas y rápidas

� La mejor opción es una válvula con actuador neumático y temporizador


Tanque de recogida de purgas

Manómetro

Salida a desagüe

Agua de refrigeración

Entrada purga de niveles

Purga de fondos

Purga de sales

Válvula de drenaje

Cabezal venteador• Es necesario que las purgas

de se lleven a un tanque que incorpore un sistema de enfriamiento.



• ITC-MIE-AP-02: TUBERÍAS PARA FLUÍDOS RELATIVOS A CALDERAS• Orden de 6 de octubre de 1980, por la que se aprueba la Instrucción

Técnica Complementaria MIE-AP2 del Reglamento de Aparatos a Presión sobre “Tuberías para fluidos relativos a calderas” B.O.E. Nº 265 publicado el 4/11/1980.

• No se permite el vaciado directo al alcantarillado de las descargas de agua de las calderas; purgas de barros, escapes de vapor y purgas de condensados, debiendo existir un dispositivo intermedio con el fin de evitar vacíos y sobrepresiones en estas redes.

• De existir un depósito intermedio de evacuación dispondrá de:• - Tubo de ventilación de suficiente tamaño para evitar la formación de

sobrepresión alguna, conectado a la atmósfera y libre de válvulas de seccionamiento.

• - Capacidad suficiente para el total de agua descargada en purgas por todas las conexiones al mismo, en un máximo de cuatro horas.

• - Las tapas o puertas de inspección con juntas que eviten los escapes de vapor.

ISV1-VaGeDis_604 102

Recuperación de calor en la purga de sales

• Se puede recuperar hasta el 80% del calor de la purga de sales• El sistema de recuperación estaría compuesto de un tanque de

revaporizado, un intercambiador de calor y accesorios.


Cálculo del coste del vapor (ejemplo).


Cálculo del coste del vapor (ejemplo).

Datos:Presión vapor 10 bar r Temperatura agua alimentación 70 ºC

Tipo combustible Gas natural Coste combustible 0,021 €/kWh

Cálculos:(a) Calor requerido (ver tabla 1) 2.489 kJ/kg

(b) Calor requerido por tonelada de vapor (a × 1.000) 2.489.000 kJ/ton

(c) Poder calorífico combustible (ver tabla 2) 3.600 kJ/kWh

(d) Energía necesaria (b ÷ c) 691 kWh

(e) Eficiencia Caldera 90%

(f) Energía real necesaria (d ÷ 0,9) 768 kWh

(g) Coste combustible 0,021 €/kWh

(h) Coste aproximado agua de aportación y tratamiento 1,00 €/ton

Coste del vapor (f × g) + h 17,12 €/ton


Calor necesario para producir vapor.

Tabla 1Calor en kilojulios (kJ) requerido para producir un kilogramo de vapor, en función de la presión y la temperatura del agua de alimentación

Temperatura agua de alimentación ºCPresióncaldera

bar r 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

5 2715 2673 2631 2589 2548 2506 2464 2421 2381 2338 2295

6 2722 2680 2638 2596 2555 2513 2471 2428 2388 2345 2302

7 2727 2685 2643 2601 2560 2518 2476 2434 2393 2350 2307

8 2732 2690 2648 2607 2565 2523 2481 2439 2397 2355 2312

9 2736 2694 2653 2611 2569 2527 2485 2443 2401 2360 2316

10 2740 2698 2656 2614 2573 2531 2489 2447 2405 2363 2319

11 2743 2701 2659 2617 2576 2534 2492 2450 2408 2366 2323

12 2746 2704 2662 2620 2578 2536 2494 2452 2410 2368 2326

15 2752 2710 2668 2626 2584 2542 2500 2458 2416 2374 2332

17 2755 2713 2671 2629 2587 2545 2503 2461 2419 2377 2335

20 2759 2717 2675 2633 2591 2549 2507 2465 2423 2381 2339

25 2762 2720 2678 2636 2594 2552 2510 2468 2426 2384 2342


Poder calorífico de combustibles.

Tabla 2

Poder calorífico de combustibles

Tipo combustible Viscosidadcentistoques

Peso específicokg/dm3

Poder calorífico

Gas-oil 4 0,835 45.600 kJ/kg

Fuel ligero 50 0,935 43.500 kJ/kg

Fuel medio 230 0,95 43.000 kJ/kg

Fuel pesado 900 0,97 42.500 kJ/kg

Propano 0,51 49.800 kJ/kg

Gas natural 3.600 kJ/kWh


Estudio energético recuperando calor

• A continuación realizamos un estudio de ahorro energético recuperando calor de la purga de sales, según esquema y los siguientes datos:

Presión de servicio 10 bar rProducción vapor (media anual 8.000 kg/hConductividad agua alimentación (media anual) 400 µS/cmConductividad agua caldera 5.000 µS/cmHoras/año funcionamiento 6.000 h/añoCoste combustible (gas natural) 0,021 €/kWhRendimiento de caldera 90 %Coste vapor (según cálculo anterior) 17 €/tonelada


Ahorro energético recuperando revaporizado

Cuando el agua de purga pasa de la presión de caldera a una presión inferior se produce revaporizado. Esta tabla indica el porcentaje de agua que se convierte en vapor a una presión de 0,2 bar

Caudal purga = = 696 kg/h400 µµµµS/cm × 8.000 kg/h

5000 µµµµS/cm – 400 µµµµS/cm

Revaporizado generado = 15,2 % (según tabla siguiente)

Presión Caldera bar r 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 18 20 22 25 30 32

% Revaporizado 10,3 11,4 12,5 13,5 14,4 15,2 16,0 16,7 17,4 18,0 18,6 19,2 20,3 21,4 22,3 23,7 25,7 26,4

Vapor recuperado: 15,2 % de 696 kg/h 106 Kg/h

Ahorro recuperando revaporizado:0,106 Ton/h × 6.000 h/año × 17 € /Ton. vapor

10.800 €/año.


Ahorro energético recuperando calor del agua

• El ahorro puede aumentar instalando un intercambiador de calor para aprovechar parte del calor residual del agua:




Energía recuperada suponiendo un enfriamiento del agua de 105 a 45 ºC: 440 kJ/kg − 188 kJ/kg 252 kJ/kg




Energía recuperada suponiendo un enfriamiento del agua de 105 a 45 ºC: 440 kJ/kg − 188 kJ/kg 252 kJ/kgCalor residual:(696 – 106) kg/h × 252 kJ/kg × 6.000 h/ año 892.080.000 kJ/año




Energía recuperada suponiendo un enfriamiento del agua de 105 a 45 ºC: 440 kJ/kg − 188 kJ/kg 252 kJ/kgCalor residual:(696 – 106) kg/h × 252 kJ/kg × 6.000 h/ año 892.080.000 kJ/añoAhorro de energía con rendimiento caldera 90%:(892.080.000 kJ/año ÷ 3.600 kJ/kWh) ÷ 0,9 275.300 kWh/año




Energía recuperada suponiendo un enfriamiento del agua de 105 a 45 ºC: 440 kJ/kg − 188 kJ/kg 252 kJ/kgCalor residual:(696 – 106) kg/h × 252 kJ/kg × 6.000 h/ año 892.080.000 kJ/añoAhorro de energía con rendimiento caldera 90%:(892.080.000 kJ/año ÷ 3.600 kJ/kWh) ÷ 0,9 275.300 kWh/año

Ahorro recuperando calor del agua residual:275.300 kWh/año x 0,021 €/kWh

5.780 €/año


Ahorro energético total

• Recuperando revaporizado y calor del agua residual se obtiene un importante ahorro energético:


Ahorro energético total

• Recuperando revaporizado y calor del agua residual se obtiene un importante ahorro energético:

Ahorro total:

Revaporizado + Calor residual = 10.800 + 5.780 = 16.580 €/año

Coste aproximado: Material + Instalación = 13.000 €

Amortización: (13.000 �16.580) x 12 = 10 meses


Arrastres de agua con el vapor

• Hay que tener presente que las calderas producen arrastres de agua con el vapor por:� Producción a baja presión� Demanda excesiva� Nivel de agua alto� Formación de espuma por alta concentración de

sales

• El arrastre de agua implica� Golpes de ariete� Reducción de eficiencia� Contaminación por sales del agua de caldera.

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