Generac Generación ión de Vapor
Ing. Luis O. Rojas Jara
1.- Introducción Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria.
En algunos casos el vapor generado es llevado a los puntos de consumo para utilizar su fuerza, y en otros ot ros para utilizar su calor.
1.- Introducción Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria.
En algunos casos el vapor generado es llevado a los puntos de consumo para utilizar su fuerza, y en otros ot ros para utilizar su calor.
Generalidades Las calderas, en sus opciones de vapor y agua caliente, están ampliamente extendidas, tanto para uso industrial como no industrial, encontrándose en cometidos tales como, generación de electricidad, procesos químicos, calefacción, agua caliente sanitaria, etc.
Definición Es un recipiente metálico, cerrado, destinado a producir vapor o calentar agua, a una temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que la atmosfrica. !sualmente generan vapor saturado. Este vapor se produce a travs de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido se calienta y cambia de estado.
Definición Las calderas son un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas de intercambiadores de calor, en las cuales se produce un cambio de fase. "demás son recipientes a presión, por lo cual son construidas en parte con acero laminado a seme#an$a de muc%os contenedores de gas.
Definición La caldera de vapor más elemental es la conocida olla a presión. En esencia una caldera es un recipiente cerrado, lleno parcialmente de agua a la que se le aplica calor procedente de alguna fuente. &ay muc%os tipos de calderas, de acuerdo a las temperaturas y presiones finales, tipo de energía calorífica disponible y volumen de producción de vapor.
"plicaciones Esterili$ación. Es com'n encontrar calderas en los %ospitales, las que generan vapor para esterili$ar los instrumentos mdicos( en los comedores con capacidad industrial se genera vapor para esterili$ar los cubiertos así como para la elaboración de alimentos en marmitas. )alentar otros fluidos, por e#emplo, en la industria petrolera se calienta a los petróleos pesados para me#orar su fluide$ y el vapor es muy utili$ado. Generar electricidad a travs de un ciclo Rankine. Las calderas son parte fundamental de las centrales termoelctricas.
"plicaciones En una planta industrial no es extra*o que las calderas industriales sirvan para muc%as aplicaciones( por e#emplo, en un molino de pulpa de papel, el calentador de recuperación química se emplea para convertir el licor negro en sustancias químicas 'tiles y de esta manera generar vapor para el proceso. En la misma planta una unidad de combustión de corte$a recupera calor del material de desperdicio y genera tambin energía. Las calderas industriales queman petróleo, gas, carbón y una amplia variedad de productos y+ó subproductos.
&istoria &asta principios del siglo - se usaron calderas para te*ir ropas, producir vapor para limpie$a, etc., %asta que Dionisio apin creó una peque*a caldera llamada /marmita/. De su creación surgió el concepto de 0caballo de fuer$a1 2&3. Es la potencia necesaria para elevar verticalmente a la velocidad de 455 pie+min un peso de 665 libras. La medida la propuso 7ames 8att 249:;3 para expresar la potencia que podía desarrollar la novedosa, en su poca, máquina de vapor con referencia a la potencia que desarrollaban los caballos. Los caballos eran la natural fuente de potencia que se usaban ampliamente muc%as aplicaciones.
Antes de estudiar en detalle los equipos generadores de vapor, y las disposiciones legales sobre su instalación,
mantención
y
operación,
conviene
conocer el proceso físico de generación del vapor y los diferentes conceptos involucrados al mismo, tales como calor, presión, temperatura etc.
UNIDAD N°1: TEORÍA !"I#A DE $ENERA#I%N DE &A'OR
()u* +s +, aor/ Como otras substancias, el agua puede estar en estado sólido, llamado !ielo, en estado líquido, que es cuando la llamamos agua, o como gas, llamado vapor. En este curso centraremos la atención en las fases líquido y gas y en el cambio de una fase a la otra.
&aor d+ agua El vapor de agua es un gas que se obtiene por evaporación o ebullición del agua líquida o por sublimación del !ielo. Es inodoro e incoloro.
#ON#E'TO" $ENERALE" El vapor es usado en la industria por lo conveniente y económico para el transporte de energía y calor. La energía del combustible es transportada por el proceso de combustión al agua, vaporiz"ndola. El vapor generado es llevado a los puntos de consumo para utilizar, ya sea por su fuerza o su cantidad de calor
1. TEORÍA !"I#A DE LA $ENERA#I%N DE &A'OR #i en un depósito estuviera abierto y se coloca una cierta cantidad de agua y se le aplica calor, $ste se transmite al agua a trav$s de las paredes del depósito.
#i se est" a la presión atmosf$rica normal, la temperatura del agua subir" !asta llegar a los %&&'C. A esta temperatura el agua !ervir" y comenzar" a producir vapor por ebullición.
La temperatura del agua permanecer" a %&&'C durante todo el tiempo que el depósito est$ abierto, aunque se le aplique m"s calor, pero el agua continuar" transform"ndose en vapor.
A!ora bien, si el depósito est" cerrado, y el vapor no sale, la presión en el interior del depósito aumentar". Al !aber mayor presión aumentar" tambi$n la temperatura.
“Mientras más alta es la presión, el agua hierve a mayor temperatura.”
(ientras m"s se calienta el agua, m"s subir" la temperatura y la presión. Cuando se de)a de aplicar calor, el vapor se enfría y se condensa, es decir vuelve a su estado líquido.
Generación de Vapor * A presión atmosf$rica normal, el agua tiene un punto de ebullición a %&&'C. * A mayor presión el punto de ebullición se incrementa, !asta alcanzar un m"+imo punto de ebullición a -/C a una presión de 0&& psi 100&,2 bar3. 4or encima de esta temperatura el agua no e+iste como líquido.
rocesos físicos de generación de vapor )alor resión >emperatura
#ON#E'TO": &A'ORI0A#I%N: 4aso del estado líquido del agua al estado de vapor. #e produce por evaporación o por ebullición.
E&A'ORA#I%N: Es la producción lenta de vapor en la superficie libre del líquido a temperatura superiores a &/ La evaporación se !ace tanto m"s r"pida cuando mayor sea la superficie del líquido y temperatura.
EULLI#I%N: #i se calienta progresivamente un líquido contenido en un vaso destapado, llega un momento en que se inicia la ebullición, que es cuando toda la masa líquida se comprenden burbu)as de vapor que estallan tumultuosamente en la superficie 1el líquido !ierve3.
. #ALOR El calor es una forma de energía. 5odos los cuerpos est"n formados por mol$culas, las que siempre est"n en movimiento. El calor es )ustamente esto.
“La manifestación del movimiento de las moléculas de los cuerpos.”
(ientras m"s r"pido se muevan las mol$culas de un cuerpo, m"s caliente estar" el cuerpo.
#e di)o que el calor es una forma de energía, es decir, tiene capacidad para producir un efecto. Los efectos m"s conocidos del calor son
* Cambio de estado físico 6 7unde los cuerpos sólidos 6 Evapora los líquidos * Cambio de volumen 6 8ilata los cuerpos sólidos
5odo cuerpo capaz de calentar a otro, se le considera como fuente de calor
.1 Trans2isión d+, #a,or El Calor es una energía en tr"nsito, siempre pasa del cuerpo de mas temperatura al de menor temperatura, esta energía se puede transmitir de tres formas
Conducción a trav$s de los sólidos Convección a trav$s de los fluidos 9adiación cualquier cuerpo caliente emite un tipo de onda electromagn$tica denominada ondas o radiación infrarro)a que se propaga por el aire de una forma similar a la luz.
. #onductiidad T*r2ica 7acilidad o dificultad con que una sustancia transmite el calor o se de)a atravesar por $l.
Esta conductividad variar" de una sustancia a otra para una misma sustancia, depende de la temperatura, su peso específico y la !umedad
.3 4+dición d+, ca,or :ay dos par"metros que se pueden del calor * La cantidad de calor * La temperatura Como a menudo se confunden ambas cosas, veremos la diferencia en el siguiente e)emplo
Los cuerpos A y ; de la figura, son de la misma sustancia, pero el volumen y masa de A es el doble de ;. #i ambos est"n a la misma temperatura, tienen el mismo grado de calor, pero A tiene el doble de cantidad de calor que ;.
#ANTIDAD DE #ALOR 4ara poder medir el mayor o menor grado de calor, se !a determinado una forma convencional y pr"ctica de efectuar su medición, llamada,
#a,oria 5#ALORÍA: Cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de % litro 1% , que es igual a la cantidad de calor que se debe aplicar a una libra de agua para subir su temperatura en %'7. % % ;5> ? &,0B0
4ara calentar el agua y transformarla en vapor, se necesita calor. #egn ello tenemos
#ALOR "EN"ILE DE &A'ORI0A#I%N: Es la cantidad de calor necesaria para calentar % litro de agua 1desde una t' inicial3 &C/ !asta %&&C/.
#ALOR LATENTE DE &A'ORI0A#I%N: Es la cantidad de calor necesaria para convertir %
#ALOR TOTAL DE &A'ORI0A#I%N: Cantidad de calor necesaria para convertir % litro de agua desde &C/ en vapor a %&&C/
Ej+2,os : %.6 DCuantas Calorías se requieren para transformar completamente en vapor a %&& /C, 0.&& litros de agua que est"n a una temperatura de %B /C.
0.6#e
necesitaron
%.@B.&&
para
transformar
completamente en vapor a %&& /C .0&& litros de agua. DCuanto era la temperatura inicial del agua
#i se aFade calor al agua, su temperatura aumenta !asta que alcanza un valor a partir del cual ya no puede subsistir como líquido. A este valor lo llamamos 6 punto de saturación" . Cualquier nueva adición de energía provoca que parte del agua !ierva y se convierta en vapor
Esta evaporación requiere cantidades de energía relativamente importantes y mientras $sta se est" aFadiendo, el agua y el vapor formado permanecen a la misma temperatura. =gualmente, si conseguimos que el vapor libere la energía que se aFadió cuando se formó, condensar" y se formar" agua a la misma temperatura.
&aor "+co 7 &aor 892+do :ay que decir que las 5ablas de apor muestran las propiedades del llamado 6&aor saturado s+co6. Es un vapor que !a sido evaporado completamente, es decir, no contiene gotas de agua líquida. En la pr"ctica, el vapor a menudo arranca pequeFas gotas de agua, con lo que ya no puede ser descrito como vapor saturado seco. #in embargo, es importante que el vapor utilizado para procesos o calefacción sea lo m"s seco posible.
Ta,as d+ &aor
#on las gotas de agua en suspensión las que !acen visible al vapor !medo. El vapor como tal es un gas transparente pero las gotas de agua le dan un aspecto blanquecino al refle)ar la luz.
$+n+ración d+, aor La energía calorífica se transmite a trav$s de las paredes del !ogar de la caldera !asta el agua. (ediante la adición de esta energía calorífica la temperatura del agua aumenta y cuando alcanza el punto de saturación, !ierve.
La +n+rg;a ca,or;a t+nido co2o +<+cto +, au2+nto d+ ,a t+2+ratura d+, agua? s+ ,,a2a +nta,;a d+, agua saturada @s;2o,o ><.
El agua a una temperatura igual a la de su punto de ebullición se llama agua saturada. La entalpía específica del agua a &/C se toma !abitualmente como cero. La capacidad calorífica específica del agua es de ,%2
4or lo tanto, aumentar la temperatura de %
EBE#TO" DEL AIRE EN LA TE4'ERATURA DEL &A'OR Cuando el aire y otros gases se meten al sistema de vapor estar"n ocupando parte del espacio que debería estar ocupado nicamente por el vapor. J la temperatura de la mezcla aireIvapor va a ser menor que l que sería para vapor puro. La figura % e+plica el efecto del aire en las líneas de vapor. La 5abla % muestra la reducción en temperatura causadas por diferentes porcenta)es de aire a varias presiones.
Eemplo !ámara de vapor #$$ % vapor 4resión 5otal K %& bar 1a3 4resión de apor K %& bar 1a3 5emperatura del apor % ' C
!ámara de &apor ' ($ % vapor y #$ % aire 4resión 5otal 6 %& bar 1a3 4resión del apor 6 @ bar 1a3
T+2+ratura d+, &aor 1C #
TI'O" DE &A'OR a &apor )aturado.' Es el vapor producido a la temperatura de ebullición del agua. Este vapor puede estar e+ento completamente de partículas de agua sin vaporizar o puede llevarlas en suspensión. 4or esta razón, el vapor saturado puede ser seco o húmedo.
*+ &apor )o*recalentado.' #í el vapor de agua saturado se le aFade calor adicional, manteniendo constante su presión, se puede obtener un vapor seco a mayor temperatura llamado vapor sobrecalentado
3. TE4'ERATURA La temperatura es el nivel calórico de un cuerpo, sin importar la cantidad de calor que $ste contenga.
UNIDADE" DE 4EDIDA La temperatura se mide en grados. E+isten diferentes escalas pero las m"s usadas son los grado centígrados o Celsius 1/C3 en el sistema m$trico, y los grados 7a!ren!eit 1/ 73 en el sistema ingl$s.
Los instru2+ntos ara 2+dir t+2+raturas s+ ,,a2an t+r2ó2+tros. Los 2Fs co2un+s son ,os d+ 2+rcurio
4ara temperaturas altas 1sobre B&& / C3 se usan otros instrumentos llamados pirómetros. Los m"s comunes son los pirómetros el$ctricos.
#ON&ER"I%N DE UNIDADE" a3 Conversión de grados 7a!ren!eit a grados Celsius. 7órmula
Eemplo # >n termómetro est" marcando 2/ 7. Calcular a cu"ntos grados Celsius corresponde *+ !onversión de grados !elsius a grados -ahrenheit. -órmula -/ ( 0 ! 5
1 23 / #,4 0 ! 1 23
Ej+2,o : >n termómetro est" marcando 2 /C. Calcular a cu"ntos grados 7a!ren!eit corresponde.
G . 'RE"ION 4resión es la fuerza e)ercida por unidad de superficie. Es decir, si aplicamos una fuerza de %&
TI'O" DE 'RE"I%N a 'r+sión At2os<*rica.Es la presión que e)erce sobre la tierra, el aire que la rodea. aría para cada lugar segn sea la altura en que se encuentra con respecto al nivel del mar.
*+ 6resión Efectiva Es la presión e+istente en el interior de un recipiente cerrado.
c + 6resión 7*soluta.' Es la suma de la presión atmosf$rica y la presión efectiva.
UNIDADE" DE 4EDIDA H E)UI&ALEN#IA" # 8g9 cm3 / #:,3: l*9pulg3 # L*9 pulg3 / $.$;$3 8g9cm3 # 7tm # 7tm
/ #,$22
# 8g9cm3 / # =ar # L*9pulg3 / # 6)>
IN"TRU4ENTO" DE 4EDI#ION a Manómetros .' =ndican la presión efectiva en el interior del recipiente. 4ueden estar graduados en Kgs/cm2, Bar, PS, !bs/ pulg2 *+ =arómetros.' )irven para medir la presión atmosférica.
>n manómetro