Capitulo 5

CAPITULO 5
VAPOR
FIMACO S.A.
Presión
Temperatura
Transmisión de calor
Producción horaria de vapor
Título o calidad de vapor
Vapor húmedo, seco, sobrecalentado
Arrastre
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VAPOR
Calor
El agua es el fluido caloportador mas empleado como agente energético y térmico en los múltiples
usos en la industria.
Al entregarle calor, su temperatura aumenta y pasa del estado líquido al estado gaseoso obteniéndose
vapor.
La cantidad de calor se mide en kcal. y se define como:
1 kcal.: Cantidad de calor necesaria para elevar en 1 °C la temperatura de 1 Kg.
de agua a presión atmosférica.
Si el calentamiento se realiza en un recipiente a presión atmosférica (abierto) el agua comienza a
hervir hasta evaporarse totalmente.
Las etapas de calentamiento son 3:
Calentamiento del líquido de
0 a 100 °C (punto de ebullición)
Etapas
Calor sensible
Calentamiento del líquido desde
punto de ebullición hasta
vaporización completa
(vapor saturado seco)
Calor Latente
Calentamiento del vapor saturado
aumentando su temperatura
(vapor sobrecalentado)
Calor sensible del vapor
sobrecalentado
El calor total del vapor saturado de 1 Kg. de agua a presión atmosférica (1 Kg./cm² absoluta) necesario,
está dado por la suma de:
Calor sensible
Calor latente
100 kcal.
540 kcal.
Calor total
640 kcal
PRESION
Cuando el calentamiento se realiza en un recipiente cerrado, el vapor queda acumulado y al expandirse
ejerce presión dentro del recipiente y también sobre la superficie del agua.
Ante cualquier cambio de presión, se suceden variaciones en los valores contenidos de calor.
Presión menor
a la atmosférica
Presión
atmosférica
Presión mayor
a la atmosférica
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(vacío)
Calor sensible
Disminuye
Calor sensible
100 ºC
Calor sensible
Aumenta
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Calor latente
Aumenta
Calor latente
540º C
Calor latente
Disminuye
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En la siguiente tabla de vapor saturado, pueden tenerse para cada presión los valores de:
P. Abs.:
P. Manom.:
T.V.:
C.S.:
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Presión absoluta
Presión manométrica
Temperatura vapor
Calor sensible
kg./cm²
kg./cm²
°C
kcal./kg.
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C.L.: Calor latente
C.T.: Calor total
V.E.: Volumen específico
kcal./kg.
kcal./kg.
m³/kg.
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TEMPERATURA
El calor absorbido o cedido por un cuerpo puede ser la causa de la variación de su temperatura, pero
esta por sí misma solo indica la medida del nivel térmico del cuerpo.
El que varias sustancias distintas estén a la misma temperatura no significa que hayan recibido iguales
cantidades de calor.
Surge el concepto de CALOR ESPECIFICO (Ce) de las sustancias cuya definición es:
Ce: Cantidad de calor suministrado a un Kg de sustancia para elevar su temperatura en 1ºC
Para elevar la temperatura de masas iguales de distintas sustancias en el mismo número de grados
se precisan distintas cantidades de vapor, y lo mismo sucede al elevar la temperatura de una misma
sustancia en un mismo número de grados en distintas etapas.
Por lo tanto el Calor Específico de una sustancia varía con la temperatura, por lo que es habitual hablar :
de " Valor Medio del Calor Específico".
Para el agua líquida de 0 a 100 ºC a presión constante es de aprox. 1 kcal/kg. ºC
Para el vapor de agua el Ce varía con la presión y la temperatura, lo mismo que todos los gases.
En lo sólidos la presión no afecta prácticamente a esta variación, lo cual no ocurre con la temperatura.
En los gases podemos variar la temperatura sin que agreguemos o saquemos calor; basta con variar la
presión a la que están sometidos.
TRANSMISIÓN DE CALOR
Conducción
Convección
Conducción es la propagación del calor en el interior de un cuerpo o entre
cuerpos que están en contacto sin movimiento, por lo que definimos como
conductividad térmica de un material a la capacidad para transmitir el calor
a su través .
El calor aplicado a un cuerpo en un punto aumenta la energía de las moléculas que entran en vibración y chocan entre ellas transmitiendo este movimiento a las contiguas y así sucesivamente.
Convección es la transmisión que se realiza entre una pared sólida en
contacto con un líquido ó un gas a distintas temperaturas.
A medida que las partículas de los fluídos en contacto con una pared más
caliente aumentan de temperatura, disminuyen su densidad y se elevan
siendo reemplazadas por otras partículas frías que se vuelven a calentar,
repitiendo así nuevamente el ciclo.
Tipos de convección
Radiación
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Libre ó Natural
Forzada
Laminar
Turbulenta
Radiación es la forma de transmisión de calor que se realiza por ondas ó
vibraciones electromagnéticas.
Todos los cuerpos emiten y reciben radiaciones que pueden transmitirse a
través del vacío, gas ó aire.
El llamado cuerpo "negro" emite y recibe el máximo de emisividad "e" = 1
(máximo número teórico).
Los espejos no emiten ni reciben radiación, por lo que su emisividad "e"= 0
Los cuerpos reales ó grises, emiten y reciben porcentajes variables según
la característica de su superficie.
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PRODUCCION HORARIA DE VAPOR
Una caldera es un recipiente cerrado que absorbe el calor de combustión y genera vapor
a presiones superiores a la atmosférica, por los efectos de transmisión de calor que cede
su superficie de calefacción al agua contenida.
La superficie de Calefacción es el área medida del lado del fuego o gases calientes que
está en contacto directo del otro lado con el agua a calentar.
Superficie radiante: en contacto con la llama (hogar).
Tipos de superficie
Superficie convectiva: en contacto los gases calientes (tubos).
La superficie radiante
Es mas efectiva que la convectiva y tiene mayor transmisión de
calor por estar en contacto con una temperatura mayor.
La carga térmica
Es la cantidad de calor que transmite por m2 de superficie de
calefacción en kcal/h.m2
De una caldera es la capacidad de vapor que puede generar .
partiendo de agua a 100 ºC y a presión atmosférica utilizando el
término " a y desde 100 ºC".
Este vapor es llamado Vapor Normal y tiene 540kcal/kg.
Producción de vapor
VAPOR
Propiedades y Características Fundamentales del Vapor
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Alto contenido de calor
Quemador de energía
Limpio, inodoro e insípido
Fácil control y distribución
Se puede acumular
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TITULO o CALIDAD DE VAPOR
Título de vapor
Vapor saturado húmedo
Vapor saturado seco
Vapor sobrecalentado
Es el porcentaje de vapor / agua a temperatura de ebullición.
Por ejemplo: vapor con un título del 90% indica un 10% de agua en
su contenido.
Es el generado en contacto con el agua. Nos referimos a él al decir
simplemente vapor.
Es el vapor a temperatura de ebullición con un 100% de título de
vapor, es decir que no contiene partículas de agua en suspensión.
Es una calidad ideal de vapor.
Al vapor saturado producido por una caldera se lo recircula por un
intercambiador de calor sobreelevando la temperatura correspondiente a la presión de trabajo.
Este vapor es utilizado solamente en sistemas donde además de
mayor temperatura de intercambio se requiere un alto título de vapor
para evitar condensaciones que dañen los equipos donde se usa.
Saturado Húmedo
Vapor
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Con un porcentaje de agua.
Saturado Seco
100% seco a temperatura normal a su
correspondiente presión.
Sobrecalentado
100% seco a temperatura superior a la
que corresponde a su presión.
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ARRASTRES
El vapor, al desprenderse del agua puede producir arrastres como consecuencia de fenómenos
de adherencia por tensión superficial.
Espumas
Gotas de agua
Arrastres
Sólidos en suspensión
Sustancias (sílices) disueltas en el vapor
No se debe confundir título de vapor con pureza de vapor.
Título Vapor:
Porcentaje de agua líquida
Pureza Vapor:
Se refiere a la cantidad de sólido, líquido o gas que lo contamina
Los arrastres son perjudiciales y se deben prevenir y corregir, aunque es imposible eliminarlos totalmente.
En los mejores resultados se puede llegar 0,005 a 0,01 ppm (partes por millón) de arrastre total.
Diseño de la caldera
Causales de arrastres
mecánicos
Cuerpos muy chicos.
Escaso volumen de domo
de vapor.
Equipos de preparación
Separadores defectuosos
o insuficientes.
Variaciones de cargas
Cargas o picos de consumo de
vapor excesivas o repentinos.
Alcalinidad muy alta
Alta concentración de sólidos totales en suspensión
o disueltos, como también espumas.
Causales de arrastres
químicos
Burbujas. Originan un arrastre de partículas
por efecto de la diferencia de presión.
Presencia de aceites y materiales orgánicos.
Todo tipo de arrastre, produce trastornos y perjuicios, sean de cualquier origen
Las gotas de agua se condensan en las superficies de intercambio
Vapor - Proceso, disminuyendo la transmisión de calor y producendo sobrecalentamiento en las paredes.
Problemas que causan
los arrastres
Los sólidos en suspensión y las espumas producen incrustaciones
ó depósitos en las paredes de las superficies de intercambio y originan desgastes de fenómenos de erosión y corrosión.
La silice fundamentalmente en procesos de alta presión, cuando es
utilizada en turbinas, se adhiere a los álabes de ésta, produciendo
desgastes, desequilibrios mecánicos y disminución de rendimiento.
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METODOS DE PREVENCION Y CORRECCION
Métodos de
prevención
y corrección
Cuando las presiones son bajas, se requiere un mayor espacio ó
volumen para acumular el vapor, suficiente para alcanzar la pureza
ó título deseado, aprovechando las diferentes densidades del agua
y el vapor.
Por lo contrario en altas presiones, la diferencia de densidades es
más pequeña y es por demás negativo diseñar tambores o domos
grandes.
Dispositivos
mecánicos
Separadores de vapor
Separan arrastres, sólidos, etc.
cambiando la dirección del flujo
de vapor bruscamente.
Secadores o purificadores
de vapor
Como un filtro, tiene placas
estriadas por donde pasa el vapor
cambiando constantemente de
dirección.
Depuradores de vapor
Al igual que los desgasificadores,
pero abierto, pulveriza el agua
de relativa pureza diluyendo las
impurezas. También se elimina
la sílice. No siempre se aplica.
Pueden usarse distintas combinaciones de estos tres equipos siendo totalmente vital su mantenimiento
para asegurar buenas condiciones de trabajo.
Métodos Químicos
Como lo indicamos, la totalidad de sólidos disueltos, alcalinidad, silice, y aceites son los componentes
químicos.
La espuma es el arrastre más común debido a las condiciones del agua dentro de la caldera.
Se corrige controlando la cantidad de sólidos y silice dentro de parámetros adecuados.
También pueden agregarse antiespumantes que debilitan la capa de espuma.
Estos son sustancias insolubles en agua, tensoactivas: éteres polimerizados, amidas y alcoholes que
deben dispersarse bien en el agua.
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