INSTALACIONES DE VAPOR ¿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. ¿QUÉ ES EL VAPOR? Aplicando calor: El hielo pasa a líquido La temperatura del líquido aumenta El líquido se convierte en gas (vapor saturado) Aplicando más calor 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) ¿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. ¿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. ¿PARA QUÉ SE USA EL VAPOR? Después de utilizarse como fuerza motriz, se descubrió que el vapor también era muy eficaz como medio de transferencia de energía calorífica Agua + Calor = Vapor Vapor - Calor = Agua El vapor es un transportador energía. ¿DÓNDE SE USA EL VAPOR? En la actualidad se usa como fuerza motriz en la producción de energía eléctrica (turbinas) Como medio de transferencia de calor existen multitud de industrias: – Petroquímica, Química, Farmacéutica, Metalúrgica, Naval, Textil, Papelera, Cervecera, Tabacalera, Alimentación, Bebidas, Caucho, Servicios, etc. En procesos muy diversos: – Calentar, evaporar, fundir, esterilizar, secar, humidificar, cocinar, lavar, planchar, vacío, etc. ¿PORQUÉ SE USA EL VAPOR? Para su producción se utiliza agua: – Abundante, Barata, Fácil de obtener Es muy controlable: – A cada presión le corresponde una temperatura, una energía específica, un volumen específico Transporta cantidades de energía elevadas por unidad de masa: – Menor superficie de intercambio en los procesos y menor cantidad de fluido usado Es estéril y de fácil distribución y control. TABLAS DEL VAPOR Presión Presión manomé- absoluta Temp. trica (bar) bar ºC 0 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 8 100 120.42 133.69 143.75 151.96 158.92 165.04 170.5 ENTALPIA ESPECIFICA Agua kJ / kg 419 506 562 605 641 671 697 721 Evaporación kJ / kg 2257 2201 2163 2133 2108 2086 2066 2048 Total kJ / kg 2676 2707 2725 2738 2749 2757 2763 2769 Volumen específico m3 / kg 1.673 0.881 0.603 0.461 0.374 0.315 0.272 0.24 CALIDAD DEL VAPOR Vapor Saturado – No contiene gotas de agua líquida Vapor Húmedo – Contiene gotas de agua – Aumenta la erosión y reduce la transferencia de calor Vapor Sobrecalentado – Temperatura por encima del vapor saturado – Se utiliza habitualmente para turbinas Es importante que el vapor utilizado para procesos sea lo más seco posible 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. BARRERAS EN LA TRANSFERENCIA DE CALOR Vapor Aire Producto a calentar Pared metálica Capas de Condensado suciedad Producto ELIMINACIÓN DE AGUA Y AIRE EN EL VAPOR Solución a los problemas de agua y aire: – Purgadores – Eliminadores Son válvulas automáticas que abren en presencia de agua o aire y cierran con vapor Eliminador aire Eliminador aire Purgador Purgador Marmita Final tubería CIRCUITO TÍPICO DE VAPOR Marmita Vapor Depósito con serpentín Condensado Intercambiador Vapor Aportación agua Alimentación agua Condensado Tanque alimentación Caldera Bomba. INSTALACIONES DE VAPOR El vapor debe estar disponible en el punto de uso satisfaciendo los siguientes factores: – Cantidad suficiente – Presión y temperatura correcta – Libre de aire y gases incondensables – Limpio – Seco. 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. 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. Gases de combustión Vapor Cámara de evaporación 2º paso (tubos) 1º paso (horno) Quemador 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. Vapor Domo superior Agua Calor Domo inferior EQUIPAMIENTO CALDERAS Los objetivos del equipamiento de una caldera son: – Funcionamiento – Seguridad – Eficiencia. EQUIPAMIENTO POR FUNCIONAMIENTO Sistema control nivel de agua Bomba alimentación agua Quemador combustible Presostatos Válvulas interrupción, Manómetros, etc. CONTROL DE NIVEL TODO / NADA Controlador LC1000 Bomba agua alimentación Sonda LP10-3 CONTROL DE NIVEL MODULANTE Controlador LC2200 Sonda capacitiva LP20 / PA20 Válvula con actuador eléctrico Bomba agua alimentación Recirculación EQUIPAMIENTO POR SEGURIDAD Indicadores de nivel Alarmas de nivel Válvulas de seguridad Válvulas de retención alimentación agua Presostato Normativas de construcción y ubicación. INDICADORES DE NIVEL Alarma de nivel alto Paro bomba o válvula alim. cerrada Nivel agua normal (control modulante) Marcha bomba o válvula alim. abierta 1ª Alarma de nivel bajo 2ª Alarma de nivel bajo 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. 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. TANQUE DE ALIMENTACIÓN - EFICAZ Venteo Cabezal mezclador y desaireador Control de nivel Agua de aportación Retorno de condensados Revaporizado de las purgas Tanque alimentación Control de temperatura Sistema de recirculación a Caldera PRODUCCIÓN DE VAPOR Vapor limpio y seco Agua de alimentación con impurezas Acumulación de impurezas en la caldera Eliminación de impurezas. PRODUCCIÓN DE VAPOR (EJEMPLO) Producción vapor: 10.000 kg / h Agua alimentación con: 250 ppm = 0,25 gr / litro 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 ¿Cómo evitarlo? PURGANDO ¿Cuanto? ¿Cómo? ¿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 Cantidad purga = + Purga = ppm (deseado) – ppm (entrada) · Pérdidas de energía – Purga · Pérdidas de agua · Pérdidas de tratamiento 250 x 10.000 3000 – 250 = 909 kg/h · Aumento de sales · Aumento de espumas · Arrastres de agua con vapor ¿CÓMO PURGAR LA CALDERA? Sistema Automático de Control de Sales Sonda conductiva Controlador Válvula control purga Enfriador de muestras. PURGA DE FONDOS TEMPORIZADA Válvula con actuador neumático Temporizador AGUA CON EL VAPOR 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. DISTRIBUCIÓN DEL VAPOR Vapor alta presión Vapor de caldera Separador Eliminador Aire Estación reductora presión Distribuidor vapor Sistema de purga La distribución a alta presión tiene las siguientes ventajas: Tubería de vapor mas pequeña con menor pérdida de calor y coste de material En los procesos con presión mas baja, la reducción mejora la calidad del vapor La caldera tiene mayor rendimiento trabajando con presión alta. DIMENSIONADO DE TUBERÍAS Sobredimensionada Subdimensionada + Coste + Pérdidas calor + Condensado + Velocidad + Caída de presión + Erosión. ¿CÓMO ELEGIMOS EL TAMAÑO? Considerando: Velocidad y Caída de presión La velocidad del vapor no debe sobrepasar: – En líneas principales 25 a 35 m/seg – En derivaciones 20 a 25 m/seg. La caída de presión no debe superar un determinado valor, para asegurar que el vapor llega a los puntos de consumo con la presión necesaria P2 P1 Caudal vapor L DRENAJE DE TUBERÍAS Vapor Válvula V.retención Separador Purgador Detector fugas Filtro Válvula GOLPE DE ARIETE Pandeo en la tubería Condensado Bolsa de condensado Vibraciones y ruidos causados por golpe de ariete INCLINACIÓN Y DRENAJE DE TUBERÍAS Flujo vapor Inclinación 1/250 Vapor Elevación 30 - 50m Puntos de drenaje Las tuberías de vapor deben drenarse en : – Puntos bajos – Tramos rectos (cada 50 metros máximo) – Finales de línea. PUNTOS DE DRENAJE Sección Vapor Correcto Pozo de goteo Conjunto purgador Sección Vapor Condensado Incorrecto. Conjunto purgador ELIMINACIÓN DE AIRE Eliminador termostático de aire Vapor Final línea de vapor Aire Purgador termodinámico Condensado REDUCCIÓN EN LÍNEAS DE VAPOR Correcto Vapor Condensado Incorrecto Vapor FILTROS EN ALIMENTACIÓN DE VAPOR Válvula de control Filtro Vapor Los filtros en las líneas de vapor, pueden ser una fuente de problemas de golpes de ariete. Para evitarlos deben montarse con la cesta en posición horizontal. CONEXIÓN DE LAS DERIVACIONES La conexión de una derivación por la parte alta de la tubería principal asegura un vapor más seco en el proceso. Vapor Condensado Incorrecto Vapor Condensado Correcto DRENAJE DE UNA DERIVACIÓN Tubería principal Vapor Válvula de Interrupción Conjunto de drenaje El condensado se acumula delante de la válvula cerrada y se introducirá con el vapor cuando abra Es conveniente el drenaje en el punto bajo de la derivación. COMPENSACIÓN DE DILATACIONES Lira Se suele utilizar cuando se dispone de espacio Debe montarse horizontal, en el mismo plano que la tubería, para evitar puntos de acumulación de condensado. COMPENSACIÓN DE DILATACIONES Fuelle Se intercalan en la tubería ocupando poco espacio Deben estar perfectamente alineados con la tubería y esta de estar bien anclada y guiada para que las fuerzas laterales no las soporte el fuelle. REDUCCIÓN DE PRESIÓN Se instalan válvulas reductoras por: • Necesidad – Presión de diseño del equipo inferior a la presión disponible • Eficacia – Ahorro de energía si el proceso admite menor presión – Mejora la calidad del vapor – Aumenta la vida de los equipos. VÁLVULA REDUCTORA PILOTADA DP Ajuste de presión Diafragma piloto Válvula piloto Válvula principal Flujo Resorte control Conexión para toma presión externa Resorte retorno vál. principal Orificio control Diafragma principal INSTALACIÓN VÁLVULAS REDUCTORAS Separador Válvula Filtro Manómetro interrupción Válvula interrupción Filtro Cámara spiratec Válvula reductora Válvula Manómetro Válvula seguridad interrupción Purgador Válvula retención REGULACIÓN DE TEMPERATURA Muchos procesos industriales necesitan controlar la temperatura La calidad de los productos depende, en muchos casos, de un control riguroso de su temperatura Desde el punto de vista del ahorro de energía, la temperatura ideal es la mínima admisible para el proceso Si el contenido de un tanque abierto está a 90 ºC y el proceso permitiera una temperatura de 70 ºC, se podría conseguir un ahorro energético del 30%. SELECCIÓN DE UN SISTEMA DE INTERCAMBIO DE CALOR Válvula: • Caudal vapor • Presión entrada • Presión salida Intercambiador: • • • • P. Vapor en intercambiador Caudal fluido a calentar Temperatura entrada Temperatura salida Agua caliente Vapor Purgador: Condensado • Caudal condensado • Presión entrada • Presión salida. Agua fría MEDICIÓN DEL CAUDAL DE VAPOR • La principal razón para utilizar medidores de caudal es que: “No se puede gestionar lo que no se puede medir” • Los medidores de caudal de vapor dan una información vital sobre su uso y costes asociados que permite mejorar la eficiencia en cuatro áreas: – Eficiencia de la planta • Distribución de cargas, puntas de consumo, etc – Uso eficiente de la energía • Resultados de medidas de ahorro energético, detección de fugas, etc – Control de procesos • Confirmar si se ha suministrado suficiente vapor a la presión y temperatura correcta, conocer puntas de consumo, etc – Cálculo y atribución de costes • Coste como materia prima, rendimiento por secciones, venta de vapor. TIPOS DE MEDIDORES DE CAUDAL Placa Orificio Vortex Area variable – Medida de ángulo – Medida de fuerza – Medida de presión diferencial. DRENAJE DE CONDENSADO Cuando el vapor cede su calor latente o entalpía de evaporación se convierte en condensado En los sistemas de vapor son necesarios elementos que diferencien el estado gas (vapor) y el líquido (condensado) A estos elementos se les llama purgadores de vapor El purgador es una válvula automática que cierra en presencia de vapor y abre cuando le llega condensado o aire. TIPOS DE PURGADORES Termostáticos Actúan por temperatura. El condensado debe enfriarse por debajo de la temperatura del vapor – Termostáticos de presión equilibrada – Termostáticos bimetálicos Mecánicos Actúan por diferencia de densidad entre el vapor y el condensado – Mecánicos de boya cerrada – Mecánicos de cubeta invertida Termodinámicos Actúan por diferencia de velocidad entre vapor y condensado. PURGADOR TERMOSTÁTICO DE PRESIÓN EQUILIBRADA Cápsula termostática En la puesta en marcha la cápsula termostática está fría y mantiene la válvula abierta. El condensado frío y el aire son descargados inmediatamente. La cápsula se calienta Cuando el condensado cuando la temperatura se enfría, el vapor de la del condensado se cápsula condensa y la acerca a la del vapor presión interna de la misma cae El líquido que la llena hierve y la presión de La válvula abre, vapor resultante empuja descarga el condensado la válvula hacía el y el ciclo se repite. asiento cerrando el paso PURGADOR TERMOSTÁTICO BIMETÁLICO Elemento bimetálico En la puesta en marcha, el Al fluir el condensado Cuando la temperatura caliente a través del del condensado se elemento bimetálico está purgador, las láminas acerca a la del vapor la relajado y la válvula se dilatan y empujan la válvula cierra. abierta. válvula contra el Cuando no hay flujo el El condensado frío y el asiento condensado se enfría, el aire son descargados elemento se relaja, la inmediatamente. presión abre la válvula y el ciclo se repite. PURGADOR MECÁNICO DE BOYA CERRADA Eliminador termostático • En la puesta en marcha, un eliminador termostático permite salir el aire a través de un by-pass de la válvula principal. • El condensado entra y hace • Cuando llega flotar la boya que unida a una palanca abre la válvula, permitiendo la salida • El condensado caliente cierra el eliminador de aire vapor el flotador baja y cierra el orificio de salida • El nivel de agua queda por encima de este orificio. PURGADOR MECÁNICO DE CUBETA INVERTIDA Orificio venteo • El condensado llega • Cuando el vapor al purgador y forma entra eleva la un sello de agua cubeta • El peso de la cubeta • El mecanismo mantiene la válvula de palanca se abierta y permite la desplaza y salida de condensado cierra la válvula • El vapor sale de la cubeta por un orificio. • El peso de la cubeta abre la válvula y el ciclo se repite • El orificio de venteo es pequeño y elimina el aire lentamente, puede ser necesario un eliminador de aire separado. PURGADOR TERMODINÁMICO Disco El disco cierra la entrada y El condensado caliente En la puesta en mantiene la cámara produce revaporizado marcha, la presión superior presurizada entrante levanta el La alta velocidad baja la presión en el disco y lo acerca La presión en la cámara disco disminuye por al asiento condensación del El condensado frío Al mismo tiempo se produce revaporizado una presión, producida por el y el aire salen El disco se levanta cuando revaporizado en la cámara inmediatamente vence la presión de entrada sobre el disco, que le obliga a y el ciclo se repite. cerrar venciendo la presión del condensado SELECCIÓN DE PURGADORES Por aplicación – Debe seleccionarse el purgador más adecuado para cada aplicación. – Esto puede ser muy amplio, pero como guía puede utilizarse lo siguiente: • Termostáticos (Purga de aire, Acompañamiento no crítico de vapor, Equipos que pueden ser inundados para poder aprovechar calor sensible) • Mecánicos • Termodinámicos (Procesos con control de temperatura) (Drenaje de líneas de distribución de vapor, Acompañamiento crítico de vapor) Por condiciones de trabajo – Hay que tener en cuenta la Presión, Temperatura, Caudal de condensado y Presión diferencial. FUGAS DE VAPOR EN PURGADORES Las fugas de vapor en purgadores causan pérdidas de energía y problemas de funcionamiento en otros equipos por aumento en la contrapresión. DETECCIÓN DE FUGAS EN PURGADORES Por ultrasonidos – Se requiere experiencia – Puede utilizarse para detectar fugas en otros elementos y otros fluidos Sistema Spiratec – No se requiere experiencia – Sólo utilizable en purgadores – Necesita montar una cámara delante del purgador o instalar purgadores que ya la incorporan RECUPERACIÓN DEL CONDENSADO • Es necesario recuperar el condensado por: – Por ahorro de energía Alimentar una caldera de 10 bar, con agua a 80 ºC en lugar de 20 ºC supone un ahorro de combustible del 9% – Por ahorro en tratamiento del agua de alimentación a caldera El condensado es agua pura si no se contamina en su recorrido. El porcentaje de ahorro será el mismo que el de recuperación de condensado – Por ahorro del coste agua. CONTRAPRESIÓN EN LOS PURGADORES La presión en la línea de condensados (Contrapresión en los purgadores) es igual a: Presión hidrostática (altura manométrica) + Resistencia por rozamiento al paso del fluido La capacidad de descarga de los purgadores depende de la Presión Diferencial que es: Presión entrada - Contrapresión Cuando no hay suficiente presión diferencial, no se puede recuperar el condensado o ha de hacerse a través de una bomba. BOMBAS DE CONDENSADO ACCIONADAS POR VAPOR Escape Entrada vapor o aire Resorte Válvula retención entrada condensado Flotador Válvula retención salida condensado INSTALACIÓN BOMBAS ACCIONADAS POR VAPOR Atmósfera Vapor Condensad o de purgadores . Entrada condensado por gravedad Escape Condensado a retorno DRENAJE DE INTERCAMBIADORES DE CALOR Un elevado número de procesos utiliza la transferencia de calor del vapor a otro fluido, utilizando intercambiadores de calor Cuando el vapor cede calor se forma condensado que se drena a través de un purgador Suelen aparecer con frecuencia problemas de: – Temperaturas inestables – Corrosión excesiva – Ruido y daños en los equipos por golpes de ariete La principal causa de estos problemas es el drenaje deficiente del condensado. SOLUCIÓN AL PROBLEMA DE INUNDACIÓN Los problemas de inundación en sistemas de intercambio de calor se resuelven con la instalación de un sistema bomba/purgador, accionado por vapor Cuando hay presión diferencial suficiente actúa como purgador y cuando no la hay el mecanismo bomba permite la entrada de vapor, que impulsa el condensado a la tubería de retorno. Vapor Vapor Válvula de control Aire Intercambiador Bomba/purgador
