Manual de Calderas y Tratamiento de Aguas

Manual práctico

Tecnología de medición en calderas

Repleto de información de utilidad

°C

O2

CO

NO

NO2

NOx

/qA λ

Prefacio

Este manual proporciona una descripción de los parámetros, de las tareas de medición y de la ingeniería de medición en la rama de calefacción. Contiene respuestas apropiadas para las preguntas frecuentes que surgen durante la experiencia práctica. Todas estas respuestas se basan en la experiencia a nivel mundial de los usuarios de instrumentos Testo. El manual se ha diseñado con el fin de brindar al nuevo usuario una visión global de la medición de las emisiones. Al mismo tiempo, para el profesional del análisis de gases de combustión experimentado, el manual constituye un valioso trabajo de referen referencia. cia. Las sugerencias y recomendaciones recomend aciones para la práctica, basadas en situaciones reales, proporcionan proporc ionan consejos útiles. El manual evita que usted tenga que realizar búsquedas largas y laboriosas en diferentes fuentes. Agradecemos sus sus ideas y sugerencias. sugerencias. Sólo tiene que escribirlas en la última página de este manual y enviárnoslas por fax. Incorporaremos Incorporar emos sus ideas en la próxima edición.

La dirección

Burkart Knospe

W olfganWalleser g Hessler Lothar

Martin Schulz

Contenidos Página I.

¿Qué son los gases de la combustión?

6

- Unidades de medición - Componentes de los gases de la combustión

II.

Compos osiición del combustible

12

III.

Calderas

15

IV.

Parámetros

19

- Parámetros medidos directamente - Parámetros calculados

V.. V

Medición básica de los gases de la combustión 24 - Quemadores de gasoil y gas

VI.

Medición de CO en calderas calderas de gas

30

- Medición de CO en el ambiente VII.

Cálculo de rendimiento rendimiento

33

- En sistemas de calefacción convencionales convencionales - En hornos de condensación

VIII. IX.. IX

Medición de NO2 en quemadores de gas

36

Tes ests ts de fu func ncio iona nami mien ento to en la las s uni unida dade des s de de calefacción

37

- Test de fugas en líneas de gases de la combustión - Control de de fugas de gases de combustión mediante detector electrónico (espejo electrónico) - Diagnóstico de problemas con ayuda de un endoscopio

X.

Configuración del quemador - Quemadores pequeños - Calderas de condensación y de baja temperatura - Sistemas de calefacción de gas

40

Página

Contenido

Página XI.

Test de fugas en tuberías de gas y agua

44

según DVGW - Test previo - Test principal - Medición de la cantidad de fuga - Test Test de presión en tuberías de agua a gua - Detección de fugas de gas

XII.

Instrumentos de medición

49

- Sensores - Funcionamiento de un sensor químico de dos electrodos - Funcionamiento de un sensor químico de tres electrodos para gases tóxicos - Funcionamiento de un sensor semiconductor para medir gases de combustión (reductores) - Electrónica - Diseño

XIII.

Apéndice - Fórmulas de cálculo (Alemanas) - Fórmulas de cálculo (Españolas) - Presentación de los instrumentos Testo Testo - Direcciones - Sugerencias de mejora / solicitud de información

56

I. ¿Qué son los gases de combustión? El incremento de todo tipo de combustión es un agente contaminante del ambiente con concentraciones siempre mayores de polución. La formación de humos, la lluvia ácida y el aumento del número de alergias son consecuencias directas de este desarrollo. La solución para una producción de energía que no perjudique el medio ambiente debe, por lo tanto, suponer una reducción de las emisiones contaminantes. Los contaminantes en los gases de combustión sólo pueden pueden reducirse eficazmente si las plantas existentes operan con el máximo rendimiento posible o si se cierran las calderas nocivas. El análisis de los gases de la combustión ofrece un medio para determinar las concentraciones de contaminantes y para ajustar al máximo rendimiento las instalaciones de calor calor..

Unidades de medición La presencia de contaminantes en los gases de combustión puede detectarse a partir de la concentración de los componentes del gas. Generalmente, se utilizan las unidades siguientes:

Unidades de medida ppm

ppm (partes por millón) Como “el tanto por ciento (%)” ppm describe una proporción. Por ciento significa “un número x de partes de cada cien”, mientras que ppm significa “un número x de partes en cada millón”. Por ejemplo, si en un cilindro de gas hay 250 ppm de monóxido de carbono (CO), entonces, si partimos de un millón de partículas de gas, 250 son de monóxido de carbono. Las otras 999.750 partículas son de nitrogeno (N2) y de oxígeno (02). La unidad ppm es idenpendiente de la presión y la temperatura, y se utiliza en concentraciones bajas. Si la concentración presente presente es elevada, se expresa en porcentaj porcentaje e (%). La conversión es como sigue: 10 000 ppm 1 000 ppm 100 ppm 10 ppm 1 ppm

= = = = =

1% 0,1 % 0,01 % 0,001 % 0,0001 %

Una concentración de oxígeno del 21% es equivalente a una concentración de 210.000 ppm de O2.

mg/Nm3 (miligramos por metro cúbico) Con la unidad mg/Nm3, el volumen normal (normal metros cúbicos, Nm3 ) se toma como una variable de referencia y la masa del gas que poluciona se indica en miligramos (mg).Como esta unidad varia con la presión y la temperatura, se toma como referencia el volumen en condiciones normales. Las condiciones normales son como sigue: Temperatura: T emperatura:

0 °C

Presión:

1013 mbar (hPa)

De todas formas. está información por sí sola no es suficiente, ya que los volúmenes respectivos en los gases de la combustión varían según la proporción de oxígeno (dilución de los gases de la combustión con aire ambiente). Por tanto, los valores respectivos medidos deben convertirse a un volumen particular de oxígeno, el contenido de oxígeno de referencia (O2 referencia). Sólo los datos con el mismo contenido en oxígeno de referencia pueden ser comparados.La medida del contenido se oxígeno (O2 ) en los gases de combustión también es necesaria para convertir ppm en mg/Nm3. A continuación se indican las conversiones para monóxido de carbono (CO), óxido de nitrógeno (NO X ) y dióxido de azufre (SO2 ). 21 - O2 referencia

CO (mg/m3 ) =

(21-O2 ) 21 - O2 referencia

NO X (mg/m3 ) =

(21-O2 )

21 - O2 referencia SO2(mg/m3 ) = Conversiones a mg/Nm 3

(21-O2 )

x CO (ppm) x 1,25

x 2,05 x (NO (ppm) + NO2 (ppm))

x SO SO2 (ppm) x 2.85

Unidades de medida mg/Nm3

mg/kWh (miligramos por kilovatio-hora de energía) Los cálculos se han realizado con los datos específicos del combustible con el fin de determinar las concentraciones de gas que polucionan con una unidad relacionada a la energía mg/kWh. Por tanto hay diferentes factores de conversión para cada

Unidad de medida

combustible. Abajo se muestran los factores de conversión de

mg/kWh

ppm y mg/m3 a unidad relacionada con la energía mg/kWh. Antes de convertir a mg/kWh, los valores medidos en concentraciones de emisión deben primero convertirse en gases de combustión no diluidos (0% de oxígeno de referencia). Los factores de conversión para los combustibles sólidos también dependen de la forma en que estos estan disponibles (en una pieza, como gravilla, polvo, fragmento, etc.). Por ello los factores deben chequearse cuidadosamente.

Gasóleo CO

1 ppm 1 mg/m3

= 1,110 mg/kWh = 0,889 mg/kWh

1 mg/kWh = 0,900 ppm 1 mg/kWh = 1,125 mg/m3

NO X

1 ppm 1 mg/m3

= 1,822 mg/kWh = 0,889 mg/kWh


Gas natural H (G20) CO

1 ppm 1 mg/m3

= 1,074 mg/kWh = 0,859 mg/kWh


NO X

1 ppm 1 mg/m3

= 1,759 mg/kWh = 0,859 mg/kWh


Fig. 1: Factores de conversión para las unidades relacionadas a la energía

Componentes de los gases de combustión Los componentes de los gases de combustión se listan a continuación ordenados ordenad os según la concentración en el gas.

Nitrógeno (N2 ) El nitrógeno (N2 ) es es el el prin princip cipal al com compo ponen nente te (79 (79% % en en vol vol.) .) de dell air aire e que que respiramos. Este gas incoloro, inodoro y sin sabor no interviene en la combustión. Entra en la caldera como un lastre, se calienta y sale por la chimenea.

Nitrógeno

Valores típicos en los gases de combustión: Calderas Calder as gasoil/gas: gasoil/gas: 78 % - 80 % Dióxid Dióx ido o de ca carb rbon ono o (C (CO O 2 ) El dióxido de carbono es un gas incoloro e inodoro con un ligero sabor agrio. Bajo la influencia de la luz solar y el verde de las hojas, la clorofila, las plantas convierten el dióxido de carbono (CO2 ) en en oxíg oxígeno eno (O2 ). La respiración respirac ión humana y animal convierte el oxígeno (O2 ) otr otra a vez vez en dióxido de carbono (CO2 ). Est Esto o cre crea a un un equi equilib libri rio o que que lo los s pro produ ducto ctos s gaseosos de la combustión distorcionan. Esta distorción acelera el efecto invernadero. El valor límite de efecto es de 5000 ppm. A concentraciones superiores al 15% en volumen (150.000 ppm) en la respiración, se produce una inmediata pérdida de consciencia.

Dióxido de carbono

Valores típicos en los gases de combustión: Calderas de gasoil: 12,5 % - 14 % Calderas de gas: 8 % - 11 % Vapor de agua (humedad) El hidrógeno contenido en el combustible se combina con el oxígeno para formar agua (H2O). Este agua sale del combustible y del aire combustionado, combustiona do, dependiendo de la temperatura de los gases de combustión (TH), en forma de humedad del gas de combustión (a una temperatura de los gases de combustión TH elevada) o como condensado (a una baja temperatura de los gases de combustión) combustión)..

Hidrógeno

Oxígeno (O 2 ) El oxígeno restante no utilizado en la combustión en el caso de utilizar aire en exceso aparece como componente de los gases de combustión y se utiliza para medir el rendimiento de la combustión. Se utiliza para determinar las pérdidas por chimenea y el contenido de dióxido de carbono.

Oxígeno

Valores típicos en los gases de combustión: Cald Ca lder eras as de ga gasoi soil:l: 2% - 5% 5% Calderas de gas: 2% - 6% (Nota: calentador )

Monó Mo nóxid xido o de ca carb rbon ono o (C (CO) O)

Monóxido de carbono

El monóxido de carbono es un gas venenoso al respirar, respirar, incoloro, inodoro y es el producto de una combustión incompleta. En concentración demasiado alta, no permite que la sangre absorba oxígeno. Si, por ejemplo, el aire de una habitación es de 700 ppm de CO, una persona respirandolo durante 3 horas morirá. El valor límite es de 50 ppm.

Valores típicos en los gases de combustión: Calderas de gasoil: 80 ppm - 150 ppm Calderas de gas: 80 ppm - 100 ppm

Óxidos de nitrógeno (NO X )

Óxido de nitrógeno

A al alta tas s tem tempe pera ratu tura ras s (co (comb mbus usti tión ón), ), el ni nitr tróge ógeno no (N2 ) pr pres esen ente te en el combustible y en el aire ambiente se combina con el oxígeno del aire (O2 ) y fo form rma a el mo monó nóxid xido o de de ni nitr troge ogeno no (N (NO). O). De Despu spués és de al algú gún n tiempo, este gas incoloro se oxida en combinación con el oxígeno (O2 ) para formar dióxido de nitrogeno (NO2 ). El NO2 es soluble en agua, tóxico si se respira (produce daños irreversibles en el pulmón) y contribuye a la formación del ozono en combinación con la radiación ultravioleta (luz solar). El NO y NO2 en conjunto se llama óxidos de nitrógeno (NO X ).

Valores típicos en los gases de combustión: Calderas de gasoil/gas: 50 ppm - 100 ppm

Dióx Di óxid ido o de az azuf ufre re (S (SO O 2 )

Dióxido de azufre

El dióxido de azufre (SO2 ) es un gas tóx tóxic ico o in incol color oro o co con n un ol olor or fu fuer erte. te. Se forma a partir del azufre del combustible. El valor límite es de 5 ppm. El ácido sulfúrico (H2SO4 ) se fo form rma a en co comb mbin inac ación ión con ag agua ua (H2O) o condensados. Valore Valo res s típ típic icos os en lo los s gas gases es de com combu busti stión ón:: Calderas de gasoil: 180 ppm -220 ppm

Nota

Para más información acerca de la medición de SO2 consulte la Guía técnica esto “Análisis de gases de combustión en

i

(

Los hidrocarburos inquemados (HC) se forman cuando la combustión es incompleta y contribuyen al efecto invernadero. En éste grupo se incluyen metano (CH4 ), butano (C4H10 ) y benceno benceno

Hidrocarburos inquemados

(C6H6 ).

Valores Valore s típicos en los gases de combustión: Calderas de gasoil:

< 50 ppm

Hollín

El hollín es carbono puro (C) resultante de una combustión

Hollín

incompleta. Valor V alor típico en los los gases de combustión: combustión: Calderas de gasoil: Número de opacidad 0 ó 1 Partículas sólidas sólida s

Las partículas sólidas (polvo) es el nombre que se da a pequeñas partículas sólidas distribuidas en el aire. Esto puede ocurrir en cualquier forma y densidad. Se forman a partir de las cenizas y de los minerales que componen los combustibles sólidos.

Materia particulada

II. Composición del combustible El combustible está compuesto básicamente por carbono (C) e hidrógeno (H2). Cuando estas sustancias se queman con aire, se consume oxígeno (O2). Este proceso se llama oxidación. Los elementos de la combustión del aire y del combustible forman nuevos enlaces formándose nuevos compuestos.

Aire Ai r Oxígeno Oxygen

Nitrogeno Nitrogen Water Va V apo porrvapour de agu guaa

+

Combustible Fuel Carbón Carbon Hidrógeno Hydrogen Azufre Sulphur Oxígeno Oxygen Nitrógeno Nitrogen Cenizas Ash Agua Water

Productos de la Combustion products combustión Dióxido dedioxide carbón Carbon Monóxido carbón Carbon de monoxide Sulphur dioxide Dióxido de azufre Oxígeno residual Residual oxygen Óxido de nitrogeno NONO Nitrogen oxide x x

Vapor Water de vapour agua

Fuel residual Fuel residue Cenizas Ash

. b s m a o g c e u s l e F s a g

o e u u d i d i s s e e R r

Fig. 2: Composición de los gases de combustión

La combustión del del aire está compuesta por oxígeno (O2), nitrógeno (N2), una pequeña proporción de gases residuales y de vapor de agua. El aire teórico necesario para una combustión completa Lmín no es suficiente en la práctica. Para conseguir una combustión completa de forma óptima, debe suministrarse más aire que el teóricamente necesario al generador de calor. La relación entre la cantidad actual de aire y el teóricamente necesario se llama exceso de aire λ (lambda). Lo que se pretende alcanzar es la máxima eficiencia con el menor exceso de aire posible, esto es cuando las proporciones de inquemados y las pérdidas por chimenea son mínimas. El siguiente modelo de combustión es ilustrativo:

O2

O2 B

CO2

CO2

B B

CO2

O2

=1

Fig. 3: Combustión ideal O2 O2

O2

O2

O2

CO2 B O2

B B

B O2

O2

O2

B B

O2

CO2 BrennstoffCombustible rest residual

O2

CO2

>1

Fig. 4: Combustión real Combustibles sólidos

Los combustibles sólidos incluyen carbón, carbón bituminoso, turba, madera y paja. Los componentes principales de estos combustibles son carbono (C), hidrógeno (H2), oxígeno (O2) y pequeñas cantidades de azufre (S) y agua (H2O). Los combustibles sólidos se diferencian principalmente por su poder calorífico, siendo el carbón el de mayor poder calorífico seguido del carbón bituminoso, la turba y la madera. El principal inconveniente de su uso es la gran cantidad de cenizas, partículas sólidas y hollín que generan. Esto obliga a disponer de medios mecánicos para eliminar estos “residuos” (por ej. una parrilla de agitación).

Combustibles sólidos

Combustibles líquidos

Los combustibles líquidos son derivados del petróleo. Éste se trata en refinerías obteniéndose gasoil ligero, medio y pesado. En calderas de calefacción se utiliza principalmente gasoil ligero y pesado. El gasoil se utiliza ampliamente en pequeñas plantas de combustión y es idéntico al fuel. El fuel oil debe calentarse previamente previamente antes de utilizarlo como fluido. Con el gasoil ligero no es necesario.

Combustibles líquidos

Combustibles gaseosos Los combustibles gaseosos son una mezcla de gases combustibles y no combustibles. Los componentes combustibles son hidrocarburos (ej. metano, butano), el monóxido de carbono

Combustibles gaseosos

(CO) y el hidrógeno (H2 ). El principal combustible gaseoso utilizado actualmente en calefacción es el gas natural, cuyo principal componente es el metano (CH4 ). Una pequeña proporción de calderas domésticas (10 %) utilizan gas ciudad, que comprende comprende principalmente hidrógeno (H2 ), monóxido de carbono (CO) y metano (CH4 ). Sin embargo, el poder calorífico del gas ciudad es sólo la mitad que el del gas natural.

III. Calderas Principio de funcionamiento

Un quemador junto con un intercambiador de calor genera calor. Esto significa que los residuos gaseosos calientes que produce la llama del quemador calientan el agua de un circuito, que circula a través de tuberías como un “transporte de calor” (fluido transmisor de calor) hasta los “consumidores “consumidores”” (ej. radiadores)

Fig. 5: Ilustración del quemador y la caldera

Calderas de combustibles sólidos En el caso de las plantas con calderas de combustibles sólidos, se hace una distinción entre los que queman madera, y los de carbón, coque o briquita. En calderas de combustibles sólidos, el 80% del aire de combustión se utiliza para el proceso de la combustión. El 20% restante (aire secundario) alimenta a los gases residuales que se producen durante la combustión, garantizando una combustión completa. Este aire secundario debe precalentarse para evitar que se Tuberí Tube ría de la Flue caldera pipe

aire fresco rico en

Oxygen-rich oxígeno fresh air

tubo extracción regulador Damper (bypass) de tiro

gases combustión

Flue gas

termostato

Thermostat cámara de Fuel combustión feed chamber

aire secundario Heated secondary calentado air

Pre-heating conducto duct precalentado aire secundario

Secondary air aire primario

Ashbox

Primary air

Caldera de combustible sólido

Calderas atmosféricas de gas La principal ventaja de las calderas de gas es que la combustión no genera residuos y se elimina el espacio para la cámara de alimentación de combustible. En el caso de las calderas atmosféricas de gas, la combustión del aire está provocada por la

Quemadores de gas

capacidad de los gases residuales y la mezcla aire/combustible

atmosféricos

quemada en la cámara de combustión fluyan a través de un extractor de humo. El papel del extractor es evitar un tiro demasiado grande o revoco que afecte la combustión en el quemador.

gases de combustión Flue gas control flujo Flow control regulador gases Boiler termostato thermostat

Flue gas damper combustión

caldera

intercambiador de calor

Heat exchanger

Gas

quemador

Burner pipe

aire combustión Combustion air

Fig. 7: Caldera de calefacción con quemador atmosférico

Calderas de tiro forzado con quemador de gasoil o gas Aquí el aire aire de la combustión combustión lo suministra suministra un soplador soplador.. Desde que que

Quemadores de gas de tiro forzado

las calderas de gas y gasoil modernas no pueden distinguirse por su diseño, una caldera de calefacción de gas puede combinarse con una de tiro forzado de gasoil. Las ventajas de las de tiro forzado son su independencia del tiro de los humos, menor diámetro de chimenea, una combustión estable y mayor rendimiento. rendimie nto. Por lo contrario, tiene el inconveniente del mayor

Calderas de condensación

A diferencia del poder calorífico inferior, inferior, el poder calorífico superior describe la cantidad de energía liberada por el combustible durante la combustión completa con relación a la cantidad de combustible implicada. En el caso del poder calorífico inferior, inferior, se resta el calor de evaporación obtenido del vapor de agua generado durante la combustión. Por está razón, normalmente el valor calorífico superior es mayor que el poder calorífico inferior inferior.. Las calderas de condensación utilizan el calor de evaporación además del calor de combustión por medio de un segundo intercambiador de calor.. Las temperaturas del gas de combustión en las calor calderas de condensación son menores que los valores habituales para las calderas convencionales. Las calderas de condensación funcionan por debajo de las temperaturas habituales del gas de combustión en las calderas convencionales. El vapor de agua de los gases de combustión condensa, liberando un calor adicional (calor latente). La temperatura por debajo de la cual condensa la humedad del gas de combustión se denomina temperatura de condensación o punto de rocío. El punto de rocío varía de un combustible a otro, siendo de aproximadamente +58ºC en el caso del gas natural y de unos +48ºC en el caso del fueloil. Si se enfrían los gases de combustión, se alcanza antes el punto de rocío. Esto significa que el calor de condensación se libera antes. La ganancia energética es mayor para el gas que para el gasoil. Dado que en la combustión de gasoil se produce dióxido de azufre (SO2 ), que se convierte convierte en parte parte en ácido sulfúrico en el condensado, la tecnología de condensación se utiliza principalmente principalmente para gas. Debido al condensado condensado que se forma, el sistema de escape no ha de ser sensible a la humedad y debe ser resistente a los ácidos.

Sistemas de condensación

quemadorForced de gas de tiro rdraught o forzadogas

burner

flujo

Flow cámara combustión

Stainless steel acero inoxidable combustion chamber intercambiador de Heat exchanger 1 calor 1

Heat intercambiador de exchanger 2 calor 2 salida gases de combustión

Flue gas outlet retorno

Condensate trampilla de trap condensados

Return

Fig. 8: Diseño de una caldera de condensación de gas

• Resu Resulta lta posible posible obtener rendimi rendimientos entos superior superiores es al 100%, debido a que la energía utilizada se mide en términos del valor calorífico inferior inferior.. Información práctica • Tenga cuidado cuidado con con las medic mediciones iones de de NO X: la proporción entre NO y NO2 puede llegar a ser del 50:50. Esto significa que se deben medir por separado las concentraciones de NO y NO2 con objeto de medir los NO X.

IV. Parámetros Parámetros medidos directamente Opacidad La opacidad se determina utilizando un instrumento similar a una mancha de bicicleta. Se envía una cierta cantidad de gases de combustión a un filtro de papel mediante un cierto número de bombeos. El tono gris de la mancha que se produce en el filtro de

Número de opacidad

papel se compara con una escala de tonalidades de grises con diferentes números. La escala de opacidad determinada de esta forma (de acuerdo con Bacharach) está entre 0 y 9. En las calderas que funcionan a gas no se realiza está determinación. Derivados del petróleo (residuos (residuos de petróleo) Cuando la combustión es incompleta debido a una insuficiente atomización, los hidrocarburos inquemados (CxHy) forman un depósito en el filtro de papel que se utiliza para medir la opacidad. Se pueden detectar por observación ó se evidencian utilizando un

Productos derivados

disolvente. Temperatura ambiente (T (TA) A) La temperatura ambiente se mide en la entrada de la caldera. En las calderas que no dependen del aire ambiente, la temperatura se mide en el punto

Temperatura del aire ambiente

adecuado del conducto de suministro.

Fig. 9: Medición de la temperatura en una chimenea de gases de combustión/aire

Temperatura de gases de combustión (TH)

La temperatura de los gases de combustión se mide en el lugar más caliente de la corriente de los gases. En este punto coincide la temperatura y la concentración de dióxido de carbono (CO2 ) tienen su máximo máximo y el contenido contenido de oxígeno oxígeno (O2 ) su

Temperatura del gas de combustión

Tiro En calderas de tiro natural, el tiro es la condición básica para que los gases de combustión salgan por la chimenea. Debido a que la densidad de los gases residuales calientes es menor que la del aire

Tiro

frío externo, en la chimenea se crea un vacío parcial. Esto se conoce como tiro. El tiro succiona el aire de la combustión y supera cualquier resistencia de la caldera o del tubo de gas. En calderas presurizadas, presurizadas, el ratio de presión en la chimenea puede despreciarse desprecia rse ya que en este caso el tiro forzado crea la presión necesaria para eliminar los gases residuales. En instalaciones de este tipo pueden utilizarse chimeneas con un diámetro de tubería menor.

Óxidos de nitrógeno (NO X ) Medir los óxidos de nitrogeno ofrece un medio para controlar las mediciones de combustión efectuadas para reducir los óxidos de nitrógeno fuera de la caldera. El término óxido de nitrógeno (NO X )

Óxido de nitrógeno

se refiere refiere a la suma del del monóxido de nitrógeno nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2 ). En calderas pequeñas (excepto las calderas de de condensación), la proporción entre NO y NO 2 siempre es la misma (97% NO, 3% NO 2 ). Por lo tanto, los los óxidos de nitrógeno (NO (NO X ) se calculan normalmente a partir de la medición del monóxido de nitrógeno (NO). Si se necesita una medición precisa de NO X , deben medirse y adicionalmente el dióxido de nitrógeno (NO 2 ).

Presión del flujo de gas Al chequear los calentadores de gas, se debe debe medir la presión presión de flujo de gas en el tubo de alimentación y contrastarse con el valor especificado por el fabricante. Esto se realiza por medio de una medición de la presión diferencia diferencial.l. La medición de la presión

Presión

diferencial se utiliza para fijar la presión de boquilla en los calentadores de gas por medio de la cual se adapta la potencia de calentadores la caldera al calor requerido.

Parámetros calculados En el apéndice se incluyen y se explican brevemente las fórmulas que constituyen la base para calcular los siguientes parámetros. Pérd Pé rdid idas as po porr ch chim imen enea ea (q (qA) A)

Las perdidas por chimenea son la diferencia entre el nivel de calor del gas de salida y el nivel de calor del aire ambiente en relación con el valor del poder calorífico inferior del fuel. Es por ello que una medida del nivel del calor del gas de salida. Las pérdidas por chimenea van pues, limitadas. Después de determinar el contenido en oxígeno y la diferenci diferencia a entre la temperatura ambiente y la de los gases de la combustión, se pueden calcular los factores específicos del combustible para el cálculo de las pérdidas por chimenea. En el lugar del contenido de oxígeno, se puede utilizar la concentración de dióxido de carbono (CO2 ) para para su cál cálcul culo. o. La tem temper peratu atura ra de los gas gases es de la combustión (TH) y el contenido de oxígeno o el contenido de dióxido de carbono (CO2 ) debe deben n medi medirse rse sim simult ultáne áneame amente nte en un úni único co punto. El ahorro conseguido mediante un ajuste óptimo del sistema de calefacción basado en los cálculos de las pérdidas por chimeneas es obvio: pérdidas por chimeneas del 1%

= consumo de combustible adicional del 1% ó

Pérdida energética / año

= Pérdidas por chimeneas x consumo de combustible/año

El siguiente ejemplo ayudará a clarificar esto: Pérdidas por chimenea calculadas

= 10 %

Consumo de combustible / año

= 3000 L fueloil ligero

La pérdida energética corresponde aproximadamente a 300 L de fueloil ligero / año

Pérdidas por chimenea

Concentración de dióxido de carbono (CO 2 )

El contenido de dióxido de carbono de los gases de la combustión da una indicación del rendimiento de la caldera. Si la proporción de CO 2 es tan elevada como sea posible con un ligero exceso de aire (combustión completa), las pérdidas por chimenea son menores. Para cada combustible hay un contenido en los gases de CO 2 máximo Dióxido de carbono

(CO2

) determinado por la composición química del combustible y

máx

que en la práctica p ráctica no es posible posib le alcanzar. alcanzar. CO2

má x

valores para distintos combustibles:

- Gasoil EL

15,4% vol. de CO2

- Gas natural

11,8% vol. de CO 2

- Carbón

18,5% vol. de CO2

Para calcular los valores de CO 2 utilizan los valores de CO 2 máx y el contenido de oxígeno de los gases de combustión. Exceso de aire

El oxígeno necesario para la combustión se suministra a la calderas a través del aire ambiente. Para conseguir una combustión completa, la combustión necesita disponer de exceso de aire respecto al teóricamente necesario. El ratio del exceso de aire de combustión para el aire teóricamente necesario se llama exceso de aire λ (Lambda). La proporción de aire se determina a partir de la concentración de CO, CO2 y O2. Estas relaciones se muestran en el diagrama de combustión, Lambda

(véase la Fig. 10). Durante la combustión, el nivel de CO 2 se relaciona λ<1) 1) o de O2 (con exceso de con un nivel de CO (con defecto de aire/ λ < λ>1 1 ) aire/ λ >

Fig. 10: Diagrama de s t L ack o f aaire ir Falta de n e n n ó i o t p s u m b o c m o s c a mezca g e Fuel/ d e air mixture u o aire/combustible l F m u m h C a o r n b ó x s o i d e n o d t m e o n c a r n e b o o n x n i o

xceaire ss ai r ExcesoEde

s s e b i o l o t l s s u a b g e m e u o u i r e a l c i d F e a

d d d p é r e s g r s a n e r n a e r r o l d u a m g i b t c n f p i e t o ó d a o n r p i e ó p m c a l a o c a l a t s e i n d

d i ió x ó x C i i d a d d e o ao rb r e b n o o c a ad n r b r b x o i o i n i e oo n o o x i d d ( C C O e ( O O ) C C ) O 2 2

) ) ( O 2 e n g O y ( 2 x o O n í g e

o x

combustión

Dado que el valor de CO2 presenta un máximo, no está claro en sí mismo, de modo que resulta necesaria una medición de CO o de O2. En los casos en los que se opere con exceso de aire (la manera más usual de operar), es preferible la determinación del O2. Existe un diagrama específico para cada combustible y un valor específico para el CO2 máx (Cf.. Apéndice).

Rendimiento Se calcula a partir de las partir de las pérdidas por chimenea (qA) y las pérdidas por inquemados (qi), de acuerdo con la fórmula siguiente: 1

-q -q

CO-Corregido

Rendimiento

Medición de CO exento de aire y vapor de agua

Nota: COcorregido= CO CO no diluido

Temperatura del punto de rocío El punto de rocío de un gas es la temperatura a la que el vapor de agua contenido en el gas cambia al estado líquido. Este cambio se denomina condensación y el líquido formado es el condensado. Por debajo de la temperatura del punto de rocío la humedad está presente como líquido y por encima del punto de rocío como gas. Un ejemplo es la formación y desaparición de la niebla o rocío dependiendo de la temperatura. La temperatura del punto de rocío se determina a partir del grado de humedad: el punto de rocío del aire con un grado de humedad del 30% es de aproximadamente 70 °C, mientras que el aire seco con un grado de humedad de tan sólo el 5% tiene un punto de rocío de 35 °C. 50% % n e d a d e m u h e d o d a r G

40% 30% 20% 10% 0% 0°

10°

20°

30°

40°

50°

Punto de rocío en °C

60°

70°

Temperatura del punto de rocío

V. Medición básica de los gases de la V. combustión Quemadores de gasoil y gas

Etapa 1

Medición de la temperatura del aire ambiente (TA) (TA) La sonda del gas de combustión se coloca en el punto de entrada de aire al quemador y se mide la temperatura del aire ambiente. ambiente. Este valor de temperatura se almacena o se mide de forma continua con una sonda de temperatura especial. Esta temperatura resulta necesaria para calcular las pérdidas por chimenea (qA).

Fig. 12: Medición de la temperatura del aire ambiente

Etapa 2

Medición de las pérdidas por chimenea (qA) La sonda del gas de combustión se introduce en el conducto de salida del gas de combustión a través del orificio de medición. Mediante la medición continua de la temperatura se busca el punto caliente del gas de combustión, es decir, el punto con la temperatura más alta. Para posicionar la sonda del gas de combustión se utilizan dispositivos mecánicos. La temperatura del gas de combustión es medida en la punta de la sonda del gas de combustión. El gas de combustión se aspira a través de la sonda del gas de combustión utilizando una

carbono (CO2 ) . Las pérdidas pérdidas por chimenea chimenea (qA) en el analizador se calcula a partir de estos valores medidos (TA,TH, (TA,TH, O2 ó CO2 ). El valor calculado de las pérdidas por chimenea se redondea. Los valores decimales hasta 0,50 se redondean a la baja y valores decimales mayores se redondean al alza. Fig. 13: Determinación de las pérdidas por humos

Se puede producir un descenso acusado de la temperatura del gas de combustión por las siguientes razones: - Se produce produce un un goteo de conde condensad nsado o sobre el el termopar termopar (sensor (sensor de temperatura) mientras la sonda del gas de combustión se encuentra en posición vertical. Remedio: La sonda del gas de combustión se debe montar en posición horizontal, de modo que se pueda extraer el condensado o pueda eliminarse por goteo. Se pueden producir unas pérdidas por humos demasiado elevadas por las siguientes razones: - Tempe emperatu ratura ra del aire aire ambiente ambiente incorrec incorrecta ta debida debida a una calibración cero con una sonda de gas de combustión caliente. Recomendación: realice la medición con una sonda para el aire ambiente separada. - Com Combus bustib tible le inc incorr orrect ecto. o. - La tempera temperatura tura del del punto calien caliente te fluctúa fluctúa en las calder calderas as

Información práctica

Se añade unas tolerancias predefinidas para los valores límite debido a las incertidumbres de la medición en las distintas situaciones de combustión. El valor límite más los puntos porcentuales de tolerancia máxima tienen como resultado el valor estimado para la evaluación. El resultado medido redondeado para las pérdidas por chimenea debe ser igual o menor que el valor estimado. Este valor de evaluación se calcula tal y como se muestra en el siguiente diagrama. OO22superior grea gr eate terr 11% 11%

1.5 tolerancia 1. 1.5 5 tpuntos ole ol era ranc nce e po poin ints ts

O22sinferior O malle11% r 11%

tole 11 tpunto olerantolerancia cerancia po i nt

Forced draught Caldera tiro burner forzado Val V alL oirm or lími m tvealues itite

+

Puntos tolerancia Tolerance points

=

VAalsor Val osrees esti m do stismado mae nt value

Burner without Caldera sin tiro forced draught forzado O2superior 11% O 2 larg er 11% O2 s inferior 11% O 2 maller 11%

Redondeo de off la Rounded lectura reading

_ <

33tpuntos oleranctolerancia e points to 22 to tpuntos oleranctolerancia elerancia poi nt nts

Val V alor o r es esti timado mado Assessment value

Fig. 14: Diagrama para calcular el valor de evaluación

Unidad Unit OK OK

La determinación de la opacidad en calderas de gasoil. Al medir la opacidad, se coloca la bomba de opacidad en el conducto del gas de combustión con un papel de filtro y se absorbe el gas de combustión con ayuda de un bombeo. Seguidamente, se retira la hoja de filtro y se chequea la presencia de derivados de gasoil. En el caso de que se decolore al tirarle una gota de acetona debido a los derivados de gasoil, no se debe utilizar éste filtro para determinar el número de opacidad. Se han de llevar siempre a cabo tres mediciones separadas. El ennegrecimiento del filtro se compara con la escala de Bacharach y seguidamente se determina el número de opacidad. Si el filtro se ha humedecido durante la medición debido a la formación de condensado, se debe repetir la medición. El valor final del número de opacidad se determina calculando el valor medio aritmético de las tres mediciones separadas. En los quemadores de gas no se determina el número de opacidad. Fig. 15: Valores límite de los número de opacidad en combustibles líquidos. Salida nominal de Nominal heat calor en KW

output in KW

Smoke number Núm.spot opacidad

Tipo caldera Type of burner

Unidad disponible o cambios fundamentales

Unit set up or fundamentally changed to 30 30.9.1988 a

defsrd oem 1.10.1988

defrom sde 1.11.1996

más 4 4 moredethan

caldera forzadoburner Forcedtiro draught

2

1

1

hasta up to11 11

caldera de condensación Condensation burner

3

3

3

caldera forzadoburner Forcedtiro draught

2

1

1

caldera de condensación Condensation burner

2

2

2

más dethan 11 11 more

Etapa 3

En los sistemas que le resulten desconocidos, en primer lugar ha de medir la opacidad de tal forma que los analizadores no se sometan a condiciones de trabajo desfavorables de forma innecesaria. Medición del tiro de chimenea

Con objeto de determinar el tiro de chimenea (fuerza ascensional) necesaria para extraer los gases de combustión en los quemadores quemador es atmosféricos, la sonda de combustión se inserta de nuevo a través del orificio para realizar la medición en el conducto del gas de combustión. En esta posición se comienza la medición del gas de combustión o de la presión, poniendo a cero en primer lugar el sensor de presión. Se retira la sonda del gas de combustión y se mide la presión del aire alrededor de la caldera. El analizador indica de forma automática la presión diferencial entre el entorno circundante y la chimenea con un signo negativo. El punto cero también se puede fijar en el exterior del tubo del gas de combustión con objeto de ser capaz de reconocer las fluctuaciones fluctuacione s de presión. En este tipo de medición no se aspira nada de gas de combustión.

Valor V alor típico del tiro tiro de chimenea: chimenea: Caldera de tiro forzado: presión positiva entre 0,12 y 0,20 hPa (mbar) Quemador de vaporización de gasoil y caldera atmosférica de gas: presión negativa entre 0,03 y 0,10 hPa (mbar)

Se pueden producir unos valores demasiado bajos durante la medición del tiro por las siguientes razones: • No se ha configur configurado ado correcta correctamente mente el cero cero del sensor sensor de presión. • La línea línea presuriza presurizada da del analizad analizador or no es estanca. estanca. • Un tiro tiro demasiado demasiado enérgico enérgico en las calderas calderas atmosférica atmosféricas s de gas puede llevar a un aumento de los valores de CO. Esto se puede evitar mediante un sistema de control con válvula de tiro.


VI. Medición de CO en calderas de gas Para proteger la seguridad de los operadores las calderas de gas se chequean. Debe asegurarse que los gases de la combustión son emitidos por el conducto de gas de combustión. Esto es particularmente particularmen te importante en calderas de gas sin tiro forzado, ya que los gases de la combustión sólo se eliminan a través del tiro natural. Si se obstruyen las líneas de los gases de combustión, los gases podrían entrar en la sala de la caldera a través del cortatiros poniendo al operador en peligro. Para prevenir prevenirlo, lo, se mide la concentración del monóxido de carbono (CO) en las calderas con la cámara de combustión abierta y en calderas sin ventilador y se revisan las líneas de los gases de combustión. Esta medida de seguridad no es necesaria en calderas de tiro forzado ya que los gases de la combustión son vehiculados hacia la chimenea.

d s a

e c ye q

d g c s v

u

c

d

La siguiente lista de control incluye todas las tareas necesarias para una inspección completa de las líneas de gases de combustión. Fig. 16: Lista control para la inspección de las líneas de gases de la combustión en calderas atmosféricas

Tarea Chequear la disponibilidad de funcionamiento de la caldera Cerrar todas las ventanas y puertas cercanas al quemador Observar la influencia de los ventiladores disponibles Chequear que las ventilaciones presentan una sección eficaz libre Chequear que la manguera de gas de combustión presenta presenta una sección eficaz libre libre Chequear que la cámara de combustión está libre de suciedad y defectos Chequear que las líneas de gases calentado presentan una sección eficaz libre Poner en marcha la caldera de gas Chequear funcionamiento regulador Valorar la combustión observando observando el aspecto de la llama Chequear los gases que salen de la caldera para ver que no generan problemas de depósitos en los mismos

OK

Objeciones Objecio nes

Medir la concen concentración tración de monóxido monóxido de carbono carbono (CO) (CO) en los gases de combustión combustión El nivel de CO y los niveles de CO2 u O2 se miden en los gases de la combustión diluido con aire limpio (después del control de caudal). Para una clara valoración de que el sistema trabaja correctamente, debe calcularse el CO no diluido. Si se añade aire es posible que el nivel de CO sea inexacto. Para este cálculo se necesita el nivel de oxígeno en los gases de la combustión. La concentración de O2 debe medirse simultáneamente con la concentración de CO.

No basta con realizar una única medición de CO. En el instrumento de medición se calcula la concentración de CO no diluido (COcorregido ) y se expresa como

d

(COcorregido )

(uCO). No debe llevarse a cabo la medición hasta que la caldera de gas no haya trabajado durante al menos 2 minutos. El nivel de CO aumenta cuando cuando el sistema sistema se pone en marcha marcha y cae al nivel normal de trabajo después de 2 minutos.

Importante

Valores Valor es límte de la concentración de CO referidos a los gases de la combustión no diluidos: COno diluido (COcorregido )mayor de 500 ppm: Es necesario el

mantenimiento del sistema COno diluido (COcorregido )mayor de 1000 ppm: Cierre del suministro

Sólo se pueden utilizar concentraciones de CO diluido para Importante

evaluar un quemador, quemador, ya que en este caso, sólo interviene el O2 del comburente

Medición de CO en el ambiente Si se instala un sistema de calefacción de gas en salas habitadas, debe medirse el nivel de CO por razones de seguridad. El retorno de gases de combustión puede producir elevados niveles de CO con el resultado de envenenamiento. Está medición debería llevarse a cabo antes que el resto de la mediciones.

Concentrac Conce ntración ión de CO en el aire aire Tiemp Tiempo o de inhalación inhalación y efecto efectos s 30 ppm

0,003 %

Valor límite umbral (concentración máx. que se puede respirar durante un período de 8 horas)

200 ppm 400 ppm

0,02 % 0,04 %

Dolor de cabeza leve en 2 ó 3 horas Dolor de cabeza en el área de la frente en 1 ó 2 horas, que se extiende a todo el área de la cabeza

800 ppm

0,08 %

Mareo, náuseas y temblores en las piernas en 45 minutos. Pérdida de consciencia en 2 horas

1600 ppm

0,16 %

Cefalea, náuseas y mareos en 20 minutos. Muerte en 2 horas

3200 ppm

0,32 %

Cefalea, náuseas y mareos en 5 ó 10 minutos, muerte en 30 minutos

6400 ppm

0,64 %

Cefalea y mareos en 1 ó 2 minutos. Muerte en 10 ó 15 minutos

12800 pp ppm

1,28 %

Muerte en 1 ó 3 minutos

• El humo de los cigarrillos influye en la medición (mín. 50 ppm). • La respiración de fumadores influye en la medición aproximadamente en 5 ppm.

VII. Cálculo de Rendimiento Rendimiento En sistemas de calefacción convencionales La fórmula se calcula por: = q - q -q Pérdida por chimenea Pérdida por inquemados

η

= 100% - qA-qi-qR

Pérdida por radiación

Hornos de condensación Dado que el calor de condensación resulta resulta necesario en los hornos de condensación modernos, Testo ha introducido el valor adicional XK para obtener un cálculo correcto. El valor incluye el uso del calor de condensación con relación al rendimiento. Cuando los gases de combustión se enfrían por debajo de su temperatura del punto de rocío, cuyo valor específico está almacenado de forma específica para cada combustible en el analizador Testo, (Fig. 24), el coeficiente proporcional XK indica el calor requerido de vaporización del agua condensada, que puede hacer que las pérdidas por humos disminuyan o se hagan negativas. El nivel de eficacia relacionado puede tomar valores mayores del 100% (ejemplo siguiente).

Coeficiente proporcional XK

A2 = 0,68

Ejemplo de fueloil ligero

—>

qA = 19% (coe (coeffic icie ient nte e pr pro opo porrciona nall XK)

TH = 30 °C

—>

qA = -5% -5% (c (con on el co coef ef.. propo porrciona nall XK)

TA T A = 22 °C

—>

h

B

= 0,007

O 2 = 3%

= 100 % - (-5%) = 105 %

XK = 5,47 %

Por medio de otro ejemplo, el siguiente diagrama muestra con claridad porque el rendimiento en las calderas de condensación es mayor del 100%.

Caldera de calefacción de baja temperatura

Caldera de condensación

100 % refe referid rido o al valor calorífico neto

111 % refer referido ido al al valor calorífico neto

11 % de ener energía gía del condensado no utilizada

8 % de pérdidas del gas de combustión 1 % de pérdidas por radiación

91 % de de energ energía ía térmica utilizada

1,5 % de 1,5 de energía del condensado no utilizada

1 % de pérdidas del gas de combustión 0,5 % de 0,5 de pérdidas por radiación

108 % de de energ energía ía térmica utilizada

• Una vez que se ha comenzado a utilizar el combustible, se forma calor y vapor de agua. • Si se mide completamente el calor, calor, se obtiene el 100% del valor rendimiento. • Si se suma la energía contenida en el vapor de de agua (calor de condensación), se obtiene rendimiento superior. • El poder calorífico superior siempre es mayor que el poder calorífico inferior • Sin embargo, las calderas de condensación también utilizan energía de condensación además del poder calorífico inferior infe rior,, lo que quiere decir que el rendimiento puede ser mayor del 100%.

Aún así, las calderas de condensación funcionan funcionan con pérdidas, lo que resulta claro si se relaciona el rendimiento con el poder calorífico inferior, en lugar de con el poder calorífico superior. Combustible

Temperatura del punto de rocío (en °C)

Gas natural H

57,53

Fueloil ligero EL

50,37

LPG (70/30)

53,95

Gas ciudad

61,09

Fig.18: Temperaturas de punto de rocío del gas de combustión específicas del combustible. Calculadas para la presión estándar (1013 mbar) y combustión estequiométrica.

Nota

VIII. Medición de NO2 en quemadores de gas Los óxidos de nitrógeno NO X representan el total del monóxido de nitrógeno (NO) y del dióxido de nitrógeno (NO2 ). En general, la proporción entre la concentración del NO y la del NO2 es constante (97% NO, 3% NO2 ). Por esta razón, una medición de NO resulta suficiente para determinar la concentración de NO X . No obstante, si se utilizan combustibles mezclados o calderas de condensación, se altera esta proporción. Por consiguiente, se han de medir por separado los dos componentes (NO y NO2 ) y sumar los resultados para representar los NO X . Fig. 19: Preparación del testo 300 XXL con gas integrado para medir NO2

Dado que el dióxido de nitrógeno (NO2 ) es hidrosoluble, se debe utilizar gas de combustión seco para determinar con exactitud la concentración de NO2, ya que de lo contrario no Importante

se tendría en cuenta el NO2 disuelto en el condensado. Esta es la razón por la que la preparación del gas siempre se lleva a cabo antes de las mediciones de dióxido de nitrógeno, con objeto de secar el gas de combustión antes de la medición real. • Si se realiza realiza la medición medición en las cercanía cercanías s de un filtro filtro electrostático, se debe poner una tierra a la sonda de g as


de combustión debido a la carga estática. • Si se espera espera un elevado elevado nivel nivel de partícul partículas as y de hollín, hollín, se deben utilizar filtros limpios y secos. Se puede utilizar un filtro preliminar.

IX. Tes IX. ests ts de fun funci cion onam amie ient nto o en las las unidades de calefacción Test de fugas en las líneas de gases de combustión Los conductos de evacuación de los gases de combustión en calderas estancas, se chequean en busca de fugas midiendo el nivel de O2 en aire primario. Es necesario realizar este test en los sistemas modernos. Habitualmente, la concentración de O2 en la entrada del aire primario es del 21%. En el caso de medirse valores inferiores al 20,5%, constituye una indicación de la existencia de una fuga en el conducto interno (evacuación de los gases de combustión); es necesario chequear el sistema. Doble pared

F I n g o i n g a i r

l u e g a

Gases de combustión

I n g o i n g a i r

Sonda en forma de hoz

s

Aire primario primario

Fig. 20: Medición de O2 en la entrada de aire primario con ayuda de una sonda en forma de hoz.

Con la sonda 0632.1244 se permite medir el oxígeno O2 en aire primario rápida y eficazmente. En la actualidad, el método convencional para los tests de fuga en un conducto de gases de combustión consistente en la comprobación de la presión sólo se utiliza en chimeneas. Se introduce aire en el conducto de gases de combustión utilizando un tester de presión hasta alcanzar una presión de 200 Pa (previamente: 1000 Pa). La cantidad de aire que escapa a través de una fuga se determina manteniendo la presión. El tubo de evacuacuión de los gases de

Control de fugas de gases de combustión mediante detector electrónico (espejo electrónico) Resulta necesario disponer de una extracción correcta de los gases de combustión de la unidad de control de caudal a fin de asegurar que el quemador funciona de forma eficaz. Se dispone de diversas opciones para determinar si los gases de combustión se expulsan correctamente. La emisión de gases de combustión se determina mediante la condensación sobre un espejo de rocío o sobre la sonda del analizador del gas de combustión, mediante un aumento de la temperatura medida por el termopar, o mediante la visualización del revoco con ayuda de un pequeño tubo. Los siguientes errores pueden causar un revoco hasta la unidad de control de caudal: • Pres Presenci encia a de un tubo de gases gases de combus combustión tión con con fugas debido a la ausencia de juntas o a la deformación de las

Averías posibles

mismas, fatiga del material de las juntas, conexiones de tubo que se han desencajado, mordeduras, mordeduras, corrosión o grietas. • Obstrucción del tiro tiro del gas de calefacción calefacción por partículas o deformación. • Suministro de aire aire no disponible debido a un entorno cerrado. cerrado. • Aberturas de ventilación bloqueadas o llenas de suciedad. • Restricciones o bloqueos en el área de la línea del gases de combustión.

Fig. 21: Detección de los gases de

Diagnóstico de problemas con ayuda de un Endoscopio El revolucionario eje flexible adopta prácticamente cualquier posición. El cómodo mango de agarre permite su funcionamiento con una sola mano disponiendo de todos los controles del endoscopio al alcance de sus dedos, con lo que consigue ahorrar tiempo y dinero.

Fig. 22: Mantenimiento e inspección de la unidad de calefacción sin necesidad de desmontarla cuando se utiliza el testo 318

X. Configuración del quemador Quemadores pequeños El objetivo del funcionamiento respetuoso con el medio ambiente de una planta es conseguir la combustión completa (combustión estequiométrica) del combustible y la mejor utilización posible de la planta. Un parámetro determinante para un funcionamiento óptimo es la configuración del aire de combustión. En la práctica, se ha descubierto que un ligero exceso de aire resulta ideal para el funcionamiento de la planta. Se suministra más aire a la combustión del teóricamente necesario. La siguiente regla se aplica a las aplicaciones prácticas:

La máxima eficacia de combustión sólo se consigue cuando la pérdida térmica por chimenea se encuentra en su nivel mínimo con poco exceso de aire. La Fig. 23 muestra las concentraciones de los componentes del gas de combustión combustión como función función de la cantidad de aire aire adminis adm inistrad trada. a.

s t n e n ó n i t o s u p b m m o o c c e s d a s g o m e u u h l s F e t n e n o p m o c

Exceso aire Exde ces s a ir

L ack de of a ir Falta aire

mezca

Fuel/

air mixture aire/combustible

C m a o r n b ó x o i d n o d m e o c a r n o b o x n i d o ( ( C O e C ) ) O

s e s or e i r l o e s a d . g a b m e o u u a c F l d d i d r d p é

e s g r s n e a n r a r e r o l d u g a m b i t c n f i p e t o ó d a o n r p ó e i p m c a l a o c a l t a s n e i d I

d i ió x ó xi i d C d o oa eo a r r d b be c o a a d r n n r b bi io x ni d o n x o io e d ( C C ( O C e O C2 ) ) O O 2

O 2 ) ( n e ) g y O 2 O o x ( n e g g í o x

De forma simplificada, se aplican las siguientes reglas heurísticas: Para conseguir la máxima

El CO2 debe ser lo mayor

eficacia

posible El CO debe encontrarse encontrarse dentro dentro de los límites seguros (muy bajo)

Calderas de condensación y de baja temperatura ¿Cómo se configuran las calderas? • Adapte el quemador a la capacidad térmica nominal de la caldera. • Ajust Ajuste e los gases de combusti combustión ón a los valores valores límites, límites, tales tales como las pérdidas por humos. • Ajust Ajuste e los nuevos sistemas sistemas de de modo que los los derivados derivados de hollín hollín estén por debajo de 1. • Aju Ajuste ste la la concent concentraci ración ón de de CO2 en los sistemas nuevos hasta aproximadamente 11-13 %. • Ajust Ajuste e la temperatura temperatura del gas de de combustión combustión según según especifique especifique el fabricante. • Opt Optimi imice ce las concen concentrac tracion iones es de CO.

• Si la temperatu temperatura ra diferencia diferenciall correspond corresponde e a las especificaciones del fabricante, entonces el sistema está, en la mayor parte de los casos, correctamente cor rectamente regulado. regulado. • Si las temperat temperaturas uras del del gas de combust combustión ión son bajas bajas se forma una gran cantidad de condensado, lo que puede tener como resultado unas lecturas incorrectas o causar daños al analizador. analizador. Remedio: utilice un secador de gases en lugar de una trampilla de condensados (Véase la Fig. 24).


Fig. 24: El secador de gases garantiza que las lecturas son exactas y protege al analizador testo 300 de los daños causados por el condensado.

Sistemas de calefacción de gas El objetivo del ajuste es conseguir un uso del combustible lo más adecuado y respetuoso con el medio ambiente posible. Al operar los quemadores de gas, se debe ajustar y controlar el caudal del gas. Esto se realiza midiendo la presión del flujo de gas. El fabricante especifica los valores de esta presión y se deben ajustar después de la instalación. Una opción adicional es la presión en la boquilla, que influye en la combustión.

¿Cómo se ajusta un sistema de calefacción de gas? • Ajust Ajuste e del gas de combus combustión tión a los valore valores s límite. límite. • Ajust Ajuste e de la presión presión correc correcta ta del flujo flujo de gas mediant mediante e la medición de la presión diferencial diferencial (p.ej. testo 300). El valor correcto de la presión se puede encontrar en las hojas de datos del fabricante. Con este ajuste se consigue la presión correcta del gas en la boquilla. • La capacidad capacidad del quemador quemador se puede adaptar adaptar al calor necesario necesario por medio de la presión en la boquilla. Una presión incorrecta

Presión del gas

• La llama se apaga

demasiado alta

• Combustión incompleta • Elevada concentración de CO • Riesgo de envenenamiento • Consumo elevado de gas

Presión del gas

• La llama se apaga

dem ema asi siad ado o ba baja

• El Elevadas pérdidas del gas de combustión • Elevado nivel de O 2 • Bajo nivel de CO 2

• No lleve a cabo mediciones de la presión en el tubo principal (respete los rangos de medición). • Asegúrese de que no hay fugas entre entre el punto de muestreo muestreo y el analizador (riesgo de explosión).


XI. Test de fugas en tuberías de gas y agua. Según DVGW • Antes de empeza empezarr a trabajar trabajar en tuberías tuberías utilizadas utilizadas para para transportar gas, se debe cerrar el dispositivo de corte y asegurarse para que no puedan abrirlo personas no autorizadas (p.ej. retirando la llave o la manivela). Siempre que se emita o puedan producirse escapes de gas, se debe asegurar que el gas se puede expulsar con seguridad por medio de la ventilación o transportándolo al exterior con ayuda de una manguera. Sólo se debe abrir el dispositivo de corte si están bien cerradas todas las aberturas de los tubos bloqueados a través de las que podría fluir el gas. Lo anterior no se aplica al trabajo de mantenimiento externo sobre los tubos. • Las fugas en los tubos tubos de gases gases se deben deben detectar con ayuda ayuda de instrumentos de detección de gases o espuma según la normativa DIN 30657; no se permiten los tests de fugas que utilicen llamas. Las medidas de sellado temporal sólo están permitidas en el caso de que haya que afrontar inmediatamente inmediatamente una situación peligrosa. • Los tubos tubos que operen operen a presion presiones es de hasta hasta 100 mbar mbar se someten a una test previo y a una test principal. Los tests se han de llevar a cabo antes de cubrir el cable o de recubrir lo mismo para sus conexiones. Las pruebas también se pueden llevar a cabo sección por sección. • Se deben deben docu document mentar ar todos todos los los tests. tests.

Test previo El test previo consiste en una chequeo de carga para los tubos de nueva instalación sin conexiones. Las aberturas del tubo se deben sellar bien durante el transcurso del test mediante tapones, tapas, topes o bridas ciegas de material metálico. No están permitidas las conexiones con tubos de gases. El test previo se puede llevar a cabo en tubos con conexiones siempre que la etapa de presión nominal de la conexión corresponda al menos con la presión de prueba. El test previo se debe llevar a cabo usando aire o un gas inerte (para conseguir una reacción lenta, p.ej. nitrógeno o dióxido de carbono), pero no con oxígeno, y con una presión de prueba de 1 bar bar.. La presión de prueba no debe disminuir durante el test, que dura 10 minutos.

Test principal El test principal es un test de fugas para tuberías, incluyendo las conexiones pero sin los instrumentos para gases y sus respectivos dispositivos de control y seguridad. El contador de gas se puede incluir en el test principal. El test principal se debe llevar a cabo usando aire o un gas inerte (para conseguir una reacción lenta, p.ej. nitrógeno o dióxido de carbono), pero no con oxígeno, y con una presión de prueba de 110 mbar. Tras la compensación de temperatura, la presión de prueba no debe disminuir durante el test, que dura como mínimo 10 minutos. El instrumento de medición debe tener una gran exactitud, de modo que se registre una caída de presión de 0,1 mbar.

Medición de la cantidad de fuga Los tuberías de baja presión que están en uso o no usados se someten a tests para garantizar su funcionamiento siempre que se sospeche la presencia de fugas, a petición del cliente, o si se conectan de nuevo. En primer lugar se realiza un chequeo de carga en el tubo, en el que se somete a una presión de prueba de 3 bar durante un periodo de 3 a 5 minutos. El objetivo del chequeo de carga es detectar daños debidos a la corrosión. Se bombea aire a través del tubo hasta alcanzar la presión de prueba y se mide la caída de presión en un minuto. a) Se garantiza el funcionamiento funcionamiento sin límite si la cantidad de fugas fugas de gas es menor de 1 litro por hora a la presión de funcionamiento. b) Se indica un funcionamiento funcionamiento restringido restringido si la cantidad de fugas de gas se encuentra entre 1 y 5 litros por hora a la presión de funcionamiento. c) No se garantiza el funcionamiento funcionamiento si la cantidad cantidad de fugas de gas gas es mayor de 5 litros por hora a la presión de funcionamiento.

Con el fin de establecer la cantidad de gas que se está perdiendo, se determina esta cantidad en todo la tubería basándose en la longitud medida o estimada de la misma. La cantidad de gas fugado se puede representar en gráficos basándose en la caída de presión por minuto, medida con un medidor de presión diferencial, y la cantidad de gas de la tubería utilizando la hoja de cálculo G 624 de DVGW o la regla de cálculo especial de Testo aprobada DVGW.

Determine la cantidad de gas que se ha fugado con ayuda de una regla de cálculo

Fig. 25: Determinación de capacidad de funcionamiento con ayuda de la regla de cálculo de Testo

El uso de una regla de cálculo hace innecesaria la introducción de datos en el analizador. Se determina el valor calculado de la cantidad de gas que se ha fugado mediante la siguiente fórmula: V B = V (p1 /p2 - 1) x pB /pL x f x 60 V B

Cantidad de gas fugado durante la operación, en L/min

V

Cant Ca ntid idad ad qu que e se en encu cuen entra tra en el tu tubo bo,, en L

p1

Presión de prueba absoluta al inicio de la medición en mbar (lectura barométrica + presión de prueba inicial)

p2

Presión de prueba absoluta al final de la medición en mbar (lectura barométrica + presión de prueba final)

pB

Presión máxima de operación del gas, en mbar

f

Factor que tiene en cuenta el tipo de de gas

Como alternativa, se encuentran disponibles instrumentos para la medición de las cantidades fugadas (Testo aún no los suministra), para lo que actualmente no existen directrices de test que seguir. Esto convierte a la medición calculada de la cantidad de gas fugado en el único medio comparable disponible. Se pueden realizar las siguientes mediciones según la capacidad de funcionamie funcionamiento: nto: a) Si se dispone de una una garantía de funcionamiento funcionamiento ilimitada, ilimitada, se pueden utilizar las tuberías. b) En el caso de una capacidad de funcionamiento funcionamiento restrigida, restrigida, se han de sellar o renovar los tubos. Existe una opción adicional para los tubos que tengan una presión de operación de 100 mbar según la hoja de cálculo G 624 de DVGW. Según la Sección 7.1.3, se ha de restablecer la estanqueidad bajo presión antes de 4 semanas después de determinar una capacidad de funcionamiento reducida. c) En el caso de que no no exista capacidad de funcionamien funcionamiento, to, las tuberías se han de retirar del sistema. Estas mismas especificaciones especificacion es se aplican a las secciones de tubo reparadas cuando se vuelven a poner en funcionamiento, al igual que ocurre con los tubos de nueva instalación. Estas mediciones aparecen indicadas en la regla de cálculo de Testo T esto

Se debe llevar a cabo un test de la caída de presión después de todos los trabajos de reparación (test principal, cf. página 45)

Test de presión en tuberías de agua Este test está compuesto del test previo y del principal y se lleva a cabo en tubos de nueva instalación y en tubos que aún no se hayan recubierto. recubierto. Se utiliza en los casos en los que no se pueda llevar a cabo el test con agua debido al riesgo de congelación o corrosión. Por razones de seguridad, el test principal se lleva a cabo utilizando una presión de 110 mbar antes del test previo con una presión máxima de 3 bar (en diámetros de tubo nominales hasta DN 50) o máx. 1 bar (en diámetros de tubo nominales hasta

Importante

Detección de fugas de gas Existe riesgo de envenenamiento o explosión si se producen fugas de gas natural desde una tubería o una unidad de calefacción. Dado que generalmente el gas natural es inodoro, se le añade algún olor. olor. Si nota olor a gas, la habitación ha de ventilarse inmediatamente. A continuación se puede chequear la presencia de fugas en el tubo de gases con ayuda de una sonda de fugas de gas. Por razones de seguridad, no se debería sobrepasar el 20% del límite inferior de explosión.

Fig. 26: Detección de fugas en tubos de gases con ayuda del testo 316

XII. Instrumentos Instrumentos de medición Las condiciones necesarias para un analizador portátil de gases de la combustión suponen un reto para cualquier fabricante de instrumentos de medición. Las severas condiciones del entorno de medición y la necesidad de realizar esta medición sin corriente exigen un elevado nivel de conocimientos técnicos y un diseño apropiado al uso. Los instrumentos deben ser compactos, ligeros, fácilmente transportables y sencillo de usar. usar. Otros puntos importantes son la necesidad de disponer de valores de medición con rápidez y con bajo consumo de energía y mantenimien mantenimiento. to.

Sensores Las condiciones necesarias para un instrumento de medición afectan directamente directamente la elección de los sensores para determinar las concentraciones de gas. Los sensores químicos han demostrado su trabajo en la práctica. La rápida disponibilidad de los valores de medición, el pequeño espacio que ocupan, el mantenimiento mantenimien to por el propio usuario y el bajo coste de fabricación son las principales ventajas de este tipo de sensores. De todas formas, es necesario un gran trabajo de investigación y desarrollo para crear un entorno adecuado para las células de medición de gas. Esto incluye la optimización de las líneas de gas, crear la ubicación adecuada para el cruce de sensibilidad y diseñar las células de manera que simplifiquen al usuario su sustitución.

Funcionamiento de un sensor químico de dos electrodos Los sensores de tres electrodos se utilizan para determinar las concentraciones concentracion es de gases tóxicos. La operación de estos instrumentos se explica con referencia al sensor de monóxido de carbono (CO). Un sensor de dos electrodos típico es el sensor de oxígeno (O2 ). La Fig. 27 muestra el funcionamiento de un sensor de oxígeno.

Fresh air Aire limpio O

menbranas

Gas-permeable permeables gas membrane

cátodo Cathode

“migración ión”

"Ion migration"

Sensor de oxígeno

-

-

OH

OH

conexiónCathode cátodo

-

OH

-

-

OH

OH

ánodo Anode

-

OH

connection

-

OH

-

-

OH

OH

resitencia NTC NTC resistance (coeficiente (neg. temperature temperatura coefficient)

-

OH

fluido electrolítico

Aqueous acuoso electrolytic fluid

negativo)

+



External circuito externo circuit

Fig. 27: Esquema de un sensor de oxígeno

Funcionamiento de un sensor de oxígeno en palabras clave: • La Las s mol moléc écul ulas as de O2 pasan a través de la membrana permeable hasta al cátodo. • Rea Reacció cción n químic química: a: Se crean crean ione iones s OH- (iones = partículas cargada) • Los iones emigran emigran a través través del fluido electrol electrolítico ítico al ánodo del del sensor. sensor. • El movimiento movimiento de iones iones produce produce una corriente corriente eléctrica eléctrica en el circuito circuito externo proporcional a la concentración de O2. • Esto significa significa que, a mayor mayor concentración concentración,, mayor corriente corriente eléctrica. eléctrica. • Se mide la caída caída de voltaje voltaje en la la resistencia resistencia y se se procesa procesa electrónicamente. • La resistencia resistencia integral integral con coeficien coeficiente te de temperatura temperatura negativo negativo sirve para compensar las influencias de la temperatura, así se asegura que el comportamiento del sensor es estable a la temperatura. • La vida de un sensor de de oxígeno oxígeno es de aprox. aprox. 3 años.

Ecuaciones de la reacción

Cátodo: O2 + 2H2O + 4e– Ánodo:

4OH–

2Pb + 4OH–

2PbO + 2H2O + 4e–

Equilibrio:2Pb + O2

2PbO

Las concentraciones de gas excesivas acortan el tiempo de vida de las células de medición.


Funcionamiento de un sensor químico de tres electrodos para gases tóxicos gasesFlue de combustión gas menbrana Gas-permeable CO membrane permeable gas circuito Externalexterno circuit

+

electrodo Sensing sensible electrode H

electrodo Reference electrode referencia

H

-

Counter electrodo electrode contador

Sensor sensor corriente Aqueous fluido current electrolytic fluid

electrolítico acuoso

O

membrana G as-permeapermeable ble membrane gas

Aire limpio Fresh air

Fig. 28: Diagrama de un sensor de monóxido de carbono

Resumen del funcionamiento de un sensor de tres electrodos (utilizando como ejemplo un sensor de CO): • Las molécula moléculass de CO migran migran a través través de la membra membrana na permeable a gases hasta llegar al electrodo detector. • Reac Reacción ción química química:: formación formación de iones iones H+. • Los iones iones migran migran hasta hasta el contrae contraelect lectrodo rodo.. • Segunda Segunda reacc reacción ión química química con con ayuda ayuda del O2 en aire limpio: conducción de corriente en el circuito externo.

Sensor de monóxido de carbono

Ecuaciones de las reacciones:

Ánodo:

CO2 + 2H+ + 2e–

CO + H2O

Cátodo: O2 + 4H+ + 4e–

2H2O

Las concentraciones de gas excesivas y el frío, la humedad y Información práctica

las partículas de suciedad acortan el tiempo de vida de las células de medición.

Funcionamiento de un sensor semiconductor para medir gases de la combustión El sensor semiconductor se utiliza para medir gases combustibles (reductores) (reductor es) tales como HC, H2 y CO. Se utiliza en la detección de fugas de gas. En la Fig. 29 se muestra la estructura del sensor semiconductor.

Sensor semiconductor

conexiones Connections cable de señales Signal cable

Housing caja

Sensor element elemento sensor con ZnO withcapa ZnO 2 layer 2 Heating cable cable calentamiento Flame Flama block

Fig. 29: Estructura de un sensor semiconductor

Resumen del funcionamiento de un sensor semiconductor (tomando como ejemplo su uso en una sonda de detección de fugas de gas): • El elemento elemento sensor sensor se calienta calienta hasta hasta la temperatura temperatura de trabaj trabajo o de 300 °C. • Cuando Cuando se calienta, calienta, se desarro desarrolla lla una resiste resistencia ncia de alta alta impedancia por medio de un óxido de estaño. • Si existen existen gase gasess combustib combustibles les (HC, (HC, H2, CO) en el aire ambiente

• En este este caso caso su resisten resistencia cia eléctrica éctrica dismin disminuirá. uirá. • Se activa activa una una alarm alarma a visual visual o acústic acústica. a.

Las concentraciones de gas excesivas y el frío, la humedad y las partículas de suciedad acortan el tiempo de vida de las células de medición.

Electrónica La tendencia en desarrollo y producción es conseguir instrumentos de medición cada vez más complejos y pequeños. El diseño asistido por ordenador (CAD) y la producción automática permiten adaptar circuitos electrónicos complejos en espacios lo más pequeños posibles. Los circuitos están diseñados con el principio multicapa y los componentes electrónicos están montados utilizando la última tecnología (diseño montaje de superficies, SMD). Una prueba por ordenador (probador en circuito) comprueba los circuitos montados e identifica cualquier fallo en su etapa inicial. Cuando los circuitos y las células de medición están montadas en la caja de cuidado diseño, los instrumentos se comprueban operativamente en un banco de pruebas asistido por ordenador y se calibran utilizando un gas patrón. La certificación DIN ISO 9000 garantiza una calidad constante, que se complementa con un competente servicio post-venta. El resultado son instrumentos que cumplen las necesidades del análisis de gas.


Diseño

La disposición de la línea de gas es prioritaria cuando se diseñan analizadores analizador es portátiles de gases de la combustión. Debido a que las fugas distorsionarían los resultados de medición, las conexiones de la línea deben ser absolutamente estancas. Para prevenir daños en las células de medición, deben evitarse los lugares en que puedan precipitar los condensados. Los analizadores modernos utilizan trampillas de condensados independientes para proteger el instrumento. La figura 10 muestra, en forma simplificada, la disposición de la línea de gas.

d c Combustion dair atemperature Flue gas t e m p e r a t u r eg

trampilla de condensados Condensate trap

filtro

d c

P

capilar

Filter

Capillary antecámara Antechamber

P Gases de la combustión

Flue gas

SO2

NO2

NO

CO

O2

Fig. 31: Esquema simplificado de una línea de gas en un analizador moderno

La bomba P aspira los gases de la combustión hacía el tubo de muestreo y los envía a la trampilla de condensados. El termopar en la punta de la sonda mide la temperatura de los gases. La trampilla de condensados y el filtro integral “secan” los gases de combustión y retienen las partículas de polvo u hollín. La muestra de gas pasa por la bomba P y se le fuerza a pasar por un capilar (se reduce el

antecámara, el gas a medir fluye hasta las células de medición, que -según el diseño- mide las concentraciones de O 2, CO, NO, NO2 y SO2. Para medir el tiro, no se aspira gases de la combustión. El gas sobrante pasa, a través de una línea de gas específica, directamente de la sonda al sensor de presión del analizador, que mide el tiro. La temperatura del aire de combustión la mide un sensor de temperatura conectado directamente directamente al instrumento de medición.

XIII. Apéndice Fórmulas de cálculo (Alemanas)

qA = (TH - TA)

Pérdida térmica por humos TH: TA: T A: A2/B: 21: O2: XK:

A2 (21 - O2 ) + B

-XK

Temperatura del gases de combustión combustión Temperatura ambiente Factores específicos combustible (ver Tabla) Con Co nte ten nid ido o ox oxíg ígen eno o air aire e Valor de O2 medido (redondeado al número completo) Factor que expresa expresa qA como el valor mínimo cuando cuando no se alcanza el punto de rocío. Necesario para mediciones en quemadores de condensación.

qA = f x

d S son cero.

(TH - TA)

CO2

se utiliza cuando los factores espec’ificos combustible A2 y B

Tabla de factores específicos del combustible Combustible

A2

B

f

CO2máx

Fueloil

0,68

0,007

-

15,4

Gas natural

0,65

0,009

-

11,9

LPG

0,63

0,008

-

13,9

Coque, madera

0

0

0,74

20,.0

Factores específicos del

Briquetas

0

0

0,75

19,3

combustible

Carbón bituminoso 0

0

0,90

19,2

0

0,60

18,5

Gas de coquerías 0,6

0,011

-

-

Gas ciudad

0,63

0,011

-

11,6

Gas de prueba

0

0

-

13,0

Antracita

0

Cantidad de aire L: L: Cantidad ac actual de de ai aire Exceso de aire λ : Lmín: Ai Airre tteó eóri rica came ment nte e necesario

L = λ x Lmín

Cantidad de aire

Concentración de dióxido de carbono (CO2): CO2 =

CO2máx x (21 - O2 ) 21

CO2:

Exceso de aire λ :

λ =

CO2máx CO2

= 1+

Valorr espe específ cífico ico com combus bustib tible le CO2máx: Valo CO2máxima

O2 21- O2

Concentración de CO2

Valo V alorr CO2 calculado

CO2máx: Valor específico combustible máximo CO2 CO2: Valor específico combustible máximo CO2 O2: Valor de O2 calculdo 21:

Lambda

Nivel de oxígeno en aire

Concentración de monóxido de carbono sin diluir (COno diluido): COcorr= COno diluido = CO x λ

CO: CO: λ :

Val alo or de de CO CO med mediido Exceso de aire

Concentración de COno diluido

Rendimiento de una planta η:

η = 100 - qA

qA:

Pérdidas por gases

Rendimiento

Fórmulas de cálculo (Españolas) Se han utilizado las siguientes ecuaciones para el cálculo de los siguientes valores:

CO2max x (21-O2 ) valor de CO2:

CO2 =

21

CO2máx:

valor de CO2 máximo

21

específico del combustible Contenido de oxígeno del aire

:

O2:

Valor de oxígeno medido

Pérdidas por chimenea: TH - TA qA = K

CO2

TH

:

TA K

: :

temperatura gases de la combustión temperatura ambiente factores específicos del combustible

Exceso de aire λ : CO2max

CO2max:

valor de CO2max específico del combustible

CO2

CO2 :

valor de CO2 calculado

Cálculo rendimiento (Ren) qA = pérdida por chimenea qi = pérdida por inquemados Ren = 100 - qA - qi

Cálculo qi combustibles líquido

qi = 95

(CO) (CO)+ (CO2 )

gas natural

qi = 72

(CO) (CO)+ (CO2 )

gas ciudad

qi = 35

(CO) (CO)+ (CO2 )

gas propano

qi = 84

(CO) (CO)+ (CO2 )

gas butano

qi = 75

(CO) (CO)+ (CO2 ) (CO)

NOTAS: -El rendimiento es correcto para calderas estancas o combustión cerrada.

COcorregido = COno diluido = CO x λ

CO: valor de CO medido λ :

exceso de aire aire

Conversión ppm a mg/m3 en relación al O 2 de referencia (Libremente seleccionable de acuerdo con el combustible)

CO : 21- O2ref CO =

x CO (ppm) x 1,25

21- O2

NO : 21- O2ref NO =

x NO (ppm) x 2,05

21- O2

SO2: 21- O2ref SO2 =

21- O2

x SO2 (ppm) x 2,85

21 : contenido de oxígeno del aire O2 : contenido de oxígeno medido

Presentación de los instrumentos Testo Tecnología de medición para el medio ambiente, HVAC, Industria La firma Testo AG de Lenzkirch/Selva Negra, una empresa de tamaño medio, se fundó en 1957. Más de 1000 empleados desarrollan, fabrican y venden la tecnología de medición medioambiental medioambien tal en todo el mundo: instrumentos electrónicos portátiles de medición y sensores de temperatura, humedad, velocidad, gas de combustión, análisis de aguas, luz, sonido, presión y rpm. Innovación La innovación incluye todas las actividades implicadas en el entendimiento de las necesidades actuales y futuras de nuestros clientes. Los departamentos de investigación y desarrollo de Testo, gracias a su poder de innovación extraordinariamente extraordinariamente alto, convierten estas necesidades en productos que seguidamente se ponen a disposición de nuestros clientes en todo el mundo en el momento adecuado, al precio apropiado y con las características idóneas. El 70% de nuestra facturación procede de productos que no tienen más de 3 años de antigüedad, lo que muestra claramente el poder de innovación de Testo. Testo en el mundo Disponemos de una red de oficinas comerciales y de centros de atención al cliente en Alemania que atiende a los clientes nuevos y existentes. Nuestras filiales en Argentina, Australia, Bélgica, Brasil, China, Francia, Gran Bretaña, Hong Kong, Italia, Japón, Corea, Holanda, Austria, Polonia, Portugal, Suiza, España, República Checa, Turq T urquía, uía, Hung Hungría ría y EE.UU, EE.UU, así como como más de de 40 agenc agencias, ias, dist distribu ribuyen yen instrumentos de medición de precisión desde Lenzkirch hasta los cinco continentes y proporcionan un fiable servicio Testo. Un alto nivel de calidad Nuestros clientes de todo el mundo utilizan actualmente más de 100,000 analizadores de gases de combustión Testo. Los usuarios industriales, los suministradores y las autoridades han puesto su absoluta confianza en los analizadores de gases de combustión Testo T esto,, reflej reflejando ando así la la complet completa a confian confianza za que que tiene tiene Testo Testo en la

Periodos de garantía considerablemente largos Testo T esto ofrece una garantía de dos años en sus analizadores analizadores de gases de combustión. Desde el punto de vista del cliente, esto equivale a una reducción del precio, teniendo en cuenta que los costes del instrumento de medición se pueden desglosar del siguiente modo: 1) Coste de compra: este coste es invariable. 2) Costes durante el uso, es decir, no hay coste alguno de reparación o de piezas de repuesto en los dos primeros años, dado que Testo se hace cargo de todos esos gastos (con la excepción de las tareas de mantenimien mantenimiento to y las partes activas).

Servicio cualificado inmediato E incluso después de terminada la garantía, Testo no abandona a sus clientes: el servicio mundial asegura la obtención de ayuda con absoluta prontitud. Testo también proporciona un servicio para instrumentos que tengan 10 años de antigüedad.

Certificado ISO 9001 Testo T esto consiguió el el certificado de calidad ISO 9001 por primera vez en octubre de 1992, certificado que se confirmó de nuevo en octubre de 1997. Este sistema de garantía de calidad con visión de futuro y de aplicación constante asegura que el cliente recibirá en todo momento productos con una calidad invariable. La estricta evaluación y certificación fue llevada a cabo por una autoridad neutral: Germanischer Lloyd. Esta sociedad controla con regularidad la vigencia del estándar ISO 9001 en Testo.

En las próximas dos páginas se presentan los instrumentos Testo para la tecnología de medición térmica. Si desea más información, utilice el formulario de solicitud de información que encontrará en la última página.

Instrumentos Testo para la tecnología de medición en calderas Mediciones en tubos de gases

Test T est previo con Testo Testo 312-3

Test T est principal principal con Testo Testo 312-2/3 312-2/3

Mediciones en unidades de calentamiento

Test de gases de combustión Test con testo 305, 325 ó 300

Test de fuga de gases de Test combustión con testo 317

Por favor, conéctese a testo más cercano.

www.testo.com

para más informacion acerca de su distribuidor o agente

Copia maestra Realice tantas copias de esta página como necesite y envíenos la hoja cumplimentada por correo electrónico o fax.

Sugerencia Suger encias s de mejora / solic solicitud itud de información información de productos productos Remitente: Nombre Departamento Dirección

Tel. T el. Fax Fecha, Firma

Deseo recibir información adicional acerca de los siguientes productos: testo 305 testo 325 testo 300 M/XL testo 300 XXL Secador de gases compacto testo 312 testo 316 testo 317 Con objeto de mantener actualizado este manual de gases de combustión y continuar adaptándolo a los requisitos de campo, le agradecemos sus sugerencias de mejora. Deseo plantear las siguientes sugerencias de mejora:

Capítulo Página Tema

Sugerencia

Notas

Notas

Notas

Notas

Notas

Notas

Notas

Notas

Notas

testo Argentina S.A. Av. Directorio 4901 Tel. 4683-5050

4 0 0 2 . 1 0

/ R / d h /

COMISION NACIONAL PARA EL AHORRO DE ENERGIA

GUÍA DE VAPOR PARA LA INDUSTRIA OCTUBRE DE 2002

Debido a la importancia que reviste la generación de vapor para los procesos industriales, la Comisión Nacional para el Ahorro de Energía (Conae) pone al alcance de los empresarios y técnicos del sector industrial, esta Guía Práctica para el Ahorro de Energía en la Generación y Distribución de Vapor, la cual ha sido elaborada a partir del “Energy Efficiency Handbook”, del Council of Industrial Boiler Owners (CIBO), de información obtenida del Department of Energy de los E.E.U.U. (DOE), del American Boiler Manufacturers Association (ABMA) y de la propia experiencia de Conae. Esperamos que sea de utilidad para utilizar en forma eficiente la energía, lo cual hará reducir sus consumos y, por ende, aumentar la competitividad de sus negocios.

CONTENIDO

Página

I. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 II. Descripción de un sistema de Generación de Vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 III. Recomendaciones generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 IV. Sistema de alimentación y tratamiento de agua para la caldera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 V. Quemadores y hogar de la caldera . . . . . . . . . . . . . . . . 5 VI. Sistema de distribución de vapor y retorno de condensado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1

I. INTRODUCIÓN

El vapor de agua es un servicio s ervicio muy común en la industria, que se utiliza para proporcionar energía térmica a los procesos de transformación de materiales a productos, por lo que la eficiencia del sistema para generarlo, la distribución adecuada y el control de su consumo, tendrán un gran impacto en la eficiencia total de la planta. Esta situación se refleja en los costos de producción del vapor y, en consecuencia, en la competitividad y sustentabilidad de la empresa. En México, la tercera parte de la energía utilizada a nivel nacional, es consumida por la industria, y de ésta, cerca del 70% proviene de combustibles fósiles, distribuidos en la forma siguiente: el gas natural como principal recurso (50%), seguido por el combustóleo (21%) y el coque (11%). Este requerimiento energético demandado por la industria lo conforman principalmente los sistemas de combustión directa, como son los calentadores a fuego directo y calderas, donde estas últimas se utilizan para la generación de vapor vapor,, el cual se requiere para suministrar trabajo mecánico y calor a los procesos.

1

II. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE GENERACIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE VAPOR La figura muestra un u n sistema de generación gene ración y distribución de vapor, vapor, cuyas partes principales principale s se describen a continuación.

Figura 1. Sistema de generación y distribución de vapor. vapor. Sistema de alimentación y tratamiento del agua para la caldera.

Conformado por equipo, tubería y accesorios que permiten el suministro del agua bajo condiciones adecuadas al sistema de vapor. vapor. Quemadores.

Dispositivos de la caldera, donde se lleva a cabo la reacción química del aire con el combustible fósil, para transformarse en calor calor,, mismo que posteriormente servirá para cambiar las propiedades propied ades del agua líquida a vapor vapor.. Hogar de la caldera.

En el caso de las calderas tipo “tubos de agua”, el hogar está formado por paredes hechas con "bancos de tubos"; en calderas tipo “tubos de humo”, el hogar está formado por una envolvente metálica interna. En ambos casos, es en el hogar donde se inicia la transformación del agua en estado de saturación a vapor y donde

se termina de realizar el proceso de combustión iniciado en el quemador, liberando el calor del combustible. Sistema de distribución del vapor.

Serie de tubos denominados "cabezales y ramales de vapor", que permite llevar el vapor a los puntos donde el proceso lo requiere, con la calidad y en la cantidad demandada. Sistema de retorno de condensados.

Serie de tubos denominados "cabezales y ramales de condensado", que regresan parte del agua que se ha condensado en el proceso. Esta agua, de gran valor por su pureza, se retorna al sistema de generación de vapor con un previo tratamiento. Es muy recomendable la instalación de este sistema, ya que permite recuperar la mayor cantidad posible de condensados.

2

III. RECOMENDACIONES GENERALES Considerando que, entre el 40 y 60% de toda la energía empleada por algunas industrias, es consumida para la generación de vapor, la operación eficiente del sistema y su mantenimiento adecuado pueden representar una gran oportunidad para disminuir sus insumos energéticos y, por ende, sus costos de operación. operación. Existen reglas que, en general, deben seguirse para generar vapor con eficiencia: a) Operar la calder calderaa a condic condiciones iones normal normales es o máximas (según la carga demandada por el proceso), las cuales alcancen la mayor eficiencia especificada. Los grados de sobrecalentamiento del vapor deberán ser

los establecidos desde diseño; de lo contrario, afectarán el área de transferencia de calor en el equipo de proceso. b) Cuando Cuando se requi requiera era util utiliza izarr vapor vapor en turbinas, ya sea para la generación de energía eléctrica o para movimiento rotarorio, es necesario suministrarlo a su máxima potencia, tomando en cuenta algunos otros niveles que se necesiten en instalaciones de proceso; esto, con la finalidad de que se puedan realizar las extracciones correspondientes de la turbina. Dicha acción permitirá no utilizar válvulas reductoras de presión, lo que origina se eleve la eficiencia del ciclo.

IV. SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN Y TRAT TRA TAMIE AMIENTO NTO DEL AGU AGUA A PARA PARA LA CALDERA Si bien el agua en forma de vapor es un vehículo para distribuir calor a diversos procesos, nunca se encuentra pura y los elementos que contiene pueden afectar las tuberías y limitar la transferencia de calor en los equipos de proceso. Para mantener la eficiencia de la caldera e incrementar su vida útil es necesario un acondicionamiento que consiste en reducir los depósitos de sólidos e incrustaciones en las superficies de calefacción, así como el evitar su corrosión. Cada caldera y su agua de alimentación representan una condición única y específica, por lo que la información y recomendaciones que a continuación se listan, son de carácter genérico. a) Operar adecuadamente el sistema de alimentación de agua.

El agua alimentada en el sistema de vapor v apor tiene que ser transportada, desde su punto de suministro o almacenamiento, hasta el interior de la caldera, pasando a través de los economizadores, mediante un sistema de bombeo.

Para una operación eficiente se recomienda: .

.

.

.

.

Mantener en operación el mínimo número de bombas, según se requiera Mantener la operación de las bombas produciendo la presión de descarga de diseño Aprovechar el flujo por gravedad, siempre que sea posible Si los requerimientos de presión varían considerablemente por los cambios de estación en el año o en la producción, evaluar la posibilidad de cambiar los impulsores de las bombas Usar dispositivos para variar la velocidad en los motores de las bombas de agua de alimentación

Por lo general, se utiliza un mínimo de dos bombas de alimentación, dependiendo del grado de confiabilidad para mantener la caldera trabajando en caso de falla del suministro de agua. El hecho de disponer de dos bombas permite realizar trabajos de reparación y

3

mantenimiento en una de ellas, mientras que la otra continúa suministrando el agua necesaria para la operación de la caldera. Cuando se utilizan turbinas de vapor para suministrar el agua de alimentación, se recomienda regular al mínimo requerido la presión de su descarga.

o cabezal inferior, inferior, o también desde el fondo de la caldera. Las purgas pueden ser continuas o intermitentes. A continuación, se establecen algunos principios para llevar a cabo un programa efectivo de purgas. 6

b) Dar tratamiento al agua de alimentación y agua retornada (condensado).

Es recomendable dar diversos tratamientos al agua antes de introducirla al sistema de generación y distribución de vapor. Se citan los más importantes. .

.

Apl icarr prod Aplica product uctos os quí químic micos, os, para eliminar el oxígeno disuelto en el agua y controlar su grado de acidez.

Otra forma de reducir la corrosión en la caldera es controlando el “pH” (grado de acidez) en el agua, mediante la adición de químicos. .

También para este tipo de calderas, el purgar desde el domo de lodos o del cabezal inferior elimina los sólidos en suspensión del agua en la caldera. El tratar de controlar la concentración de impurezas purgando en este lugar, lugar, puede causar fallas severas en la circulación dentro de la caldera, lo cual causa serios daños. La purga en el fondo debe ser de poca duración, sobre una cantidad ya establecida. Esta cantidad es determinada por el diseño de la caldera, las condiciones de operación y la velocidad de acumulación de sólidos suspendidos.

En el agua cruda, que forma parte de la alimentación a la caldera, deben eliminarse los sólidos en suspensión, reducir “la dureza” (provocada por las sales de calcio, magnesio y silicio) y eliminar otras impurezas solubles.

Gran parte del oxigeno contenido en el agua alimentada a la caldera, es eliminado en el deaereador. Sin embargo, pequeñas cantidades -trazas de éste- aún se encontrarán en el agua, causando la corrosión en el metal de la caldera. Para prevenir esto, un secuestrante de oxígeno debe ser adicionado al agua, de preferencia en el tanque de almacenamiento del deaereador. Así, el secuestrante dispondrá de un tiempo mayor para reaccionar con el oxígeno residual.

Purgar adecuadamente la caldera, para limitar la concentración de impurezas del agua en la caldera.

Las purgas pueden ser localizadas en distintos puntos; éstas pueden ser desde abajo del nivel de agua en el tanque de vapor (o domo del vapor), desde el domo de lodos

En calderas tipo tubos de agua (acuotubulares), la concentración de impurezas debe controlarse purgado desde el domo de vapor. Es preferible realizar purgas continuas.

6

.

La purga en calderas del tipo tubos de humo (pirotubulares), puede hacerse de manera continua o intermitente, como también realizarse abajo del nivel de agua o desde el fondo. El tipo de purga, su frecuencia y duración dependen del diseño de la caldera, las condiciones de operación y el tipo de programa de tratamiento de agua.

Dar tratamiento a los condensados que retornan.

Tome en cuenta algunas recomendaciones: 6

6

Adi cion Adici onee pro produ duct ctos os qu quími ímico coss par paraa controlar el grado de acidez. Elimine el oxígeno de los condensados a través de un deaereador, antes de que vuelvan a entrar junto con el agua de reposición, al sistema de agua de alimentación.

4

6

como de la capacidad demandada por el proceso).

Reduzca el venteo en el deaereador a menos del 0,1% del flujo de agua o menos del 0,5% del flujo de vapor (esta recomendación dependerá del tamaño del sistema de vapor y condensado, así

6

Retorne todos los condensados posibles al sistema de agua de alimentación.

V. QUEMADORES Y HOGAR DE LA CALDERA La eficiencia energética de una caldera puede definirse como el porcentaje de la energía del combustible (carbón, gas y petróleo) que se convierte en energía calorífica para generar el vapor.. El método de pérdidas de calor es el más vapor utilizado para determinar la eficiencia de una caldera. Para calcular ésta, simplemente se determinan las pérdidas individuales de calor, expresándolas como un porcentaje del calor suministrado, y se restan del 100%, considerando el principio de que la energía no se pierde. La mayoría de las calderas son diseñadas para tener eficiencias cercanas a 80%, según lo establece la norma correspondiente; sin embargo, se encuentran trabajando entre el 65 y el 85%, mientras que la parte restante, es decir decir,, el 35% y el 15%, respectivamente, son pérdidas. Este porcentaje de pérdida puede incrementarse cuando la operación de una caldera no es la adecuada. Las acciones que aumentan la eficiencia de los sistemas contribuyen sensiblemente a la reducción de esta pérdida, sobre todo en la energía desechada en los gases de combustión. Por lo mismo, una de estas acciones puede ser la utilización de sistemas de recuperación de calor. calor. Por otro lado, también se deben evitar los excesivos consumos de energéticos, que son ocasionados por: un mal funcionamiento de la caldera, los desperdicios de vapor dentro del sistema de distribución hacia el proceso y un mal aprovechamiento de la energía por su inadecuado uso. Para lograr una operación óptima en la caldera caldera y un uso eficiente de su energía, se recomienda de manera general: a) Asegur Asegurar ar una adec adecuad uadaa combus combustió tiónn b) Eli Elimin minar ar las las pérdid pérdidas as de de calor calor c) Consi Considerar derar la posibi posibilidad lidad de recuper recuperar ar calor calor

d) Mejora Mejorarr el contr control ol de las las calde calderas ras y e) Opera Operarr adecuadam adecuadamente ente el manejo manejo de aire aire a la caldera Enseguida, se describe cada una de estas recomendaciones. a) Asegurar una adecuada combustión La combustión es el proceso que permite convertir la energía química contenida en los combustibles en energía calorífica, la cual se transmite al agua para generar vapor vapor.. La combustión c ombustión ocurre por una combinación del oxigeno contenido en el aire, con el carbono e hidrógeno de los combustibles sólidos, líquidos o gaseosos. El eficiente quemado de los combustibles y el mayor aprovechamiento del calor generado por este proceso, requieren que se preste atención a todos los equipos y dispositivos que conforman el sistema de combustión. Para que este proceso logre lo anteriormente expuesto, se recomienda operar y mantener adecuadamente el sistema de alimentación de combustible, sea éste gas y/o líquido. En todos los componentes de los sistemas de combustión, la operación y el mantenimiento adecuado de cada uno de ellos son esenciales para lograr un proceso de combustión eficiente y seguro, por lo que se recomienda tener las siguientes precauciones:

Alimentación de combustible gas .

Mantener, en el nivel adecuado, la presión de suministro al quemador.

Este es un factor crítico para obtener la

5

operación adecuada del quemador y una combustión eficiente. Las variaciones de presión pueden causar una combustión rica en combustible y altas emisiones de monóxido de carbono (CO). .

Las variaciones de presión del gas tienen su origen en la presión del suministro general, es decir, de la válvula de control de presión de la caldera, pero también pueden deberse a defectos o suciedad en el regulador de presión del gas a la entrada de los quemadores.

.

Verificar la operació operación n correcta de la válvula que modula el gas, para asegurar que responda a las señales provenientes de los controles.

.

Comprobar que la presión del gas en la boquilla (tobera) sea la correcta; esto se verifica a través de la medición de presión en los manómetros indicadores locales.

nadas para suministrar el combustible en las boquillas del quemador con la presión adecuada. Se tendrá que verificar la presión del suministro de combustible, cuando menos, una vez al día. .

El cambio de presión afecta directamente la capacidad de atomización del combustible, limitando su completa combustión. Las consecuencias que acarrea este cambio de presión son, entre otras, el consumo excesivo de combustible y gases de combustión con inquemados, lo que origina la formación del hollín, reduce la eficiencia y aumenta los costos de operación en la caldera. La variación de presión del combustible puede ser causada por: el desgaste de la bomba, válvula de relevo defectuosa, filtros obstruidos o fuga en el equipo mecánico, cambios en el punto de ajuste de la válvula de control de presión. .

Alimentación de combustible líquido .

Suministro del aire adecuado para la combustión El exceso de aire se define como la cantidad de éste que es suministrada al quemador, más allá de la requerida teóricamente (por estequiometría), para asegurar una combustión completa. Las infiltraciones de aire dentro de la cámara de combustión traen como consecuencia, el tener un aire adicional que interferirá con la eficiencia del proceso de combustión.

Verificar la fluidez del sistema de recirculación de combustible.

Cualquier descenso de la temperatura ambiente y/o del combustible requerirá la inspección del sistema. Las bombas de combustible y las válvulas de control de presión necesitan ser inspeccio-

Los combustibles líquidos necesitan un medio de atomización, que puede ser aire o vapor, según su disponibilidad.

Los cambios de presión en estos medios pueden también formar el hollín. La pérdida de presión puede deberse a problemas en el regulador de presión, en el compresor de aire o a una boquilla sucia del combustible.

Mantener la temperatura adecuada del combustible.

En las calderas que queman combustóleo pesado, es necesario vigilar la variación de la forma de la flama y mantener la temperatura adecuada del combustible. El cambio de temperatura es generalmente causado por el ensuciamiento del calentador del combustible o por falla o desajuste del control de temperatura. Consulte a los proveedores de estos equipos y siga sus recomendaciones. .

Mantener, en el nivel adecuado, la presión de suministro del combustible.

.

Evitar el exceso de aire .

Un nivel excesivo de aire significa pérdidas

6

adicionales de energía, aumento de la temperatura de los gases de chimenea y reducción de la eficiencia de la caldera. La Tabla 1 contiene las recomendaciones para ajustar los niveles de exceso de aire, según los diferentes tipos de combustibles líquido o gas.

quemador”. En la tabla No. 2, se muestra el efecto de los cambios de temperatura del aire para combustión sobre los niveles de exceso de aire. Tabla 2. Temperatura del aire para

combustión y su efecto en el exceso de aire

Tabla 1.

Exceso de Aire Recomendado Combustible Gas natural Propano Gas de coque Combustóleo (FuelOil 6)

Exceso de Aire Recomendado (%)

Temperatura del aire para combustión ºC 4,5 10,0 26,7 37,8 48,8

5 - 10 5 - 10 5 - 10 10 - 15

(F) (40) (50) (80) (100) (120)

Exceso de aire resultante % 25,5 20,2 15,0 9,6 1,1

Ajuste inicial

Fuente CIBO, Energy efficiency Handbook .

Ajustes de de exceso exceso de aire en la especificación de quemadores, de acuerdo con la temperatura del aire de combustión.

Este es un problema muy común en la “especificación de quemadores” quemadores”,, cuando se adquieren unidades nuevas. En innumerables pruebas e investigaciones, se ha comprobado que los niveles excesivos de aire provocan incrementos considerables en el suministro de energía a la caldera y la temperatura de los gases que salen de la chimenea, así como la reducción significativa de la eficiencia de la caldera. En el caso contrario, un bajo nivel del exceso de aire provoca que la combustión sea incompleta y se produzca hollín e inquemados. Esta situación ha conducido a que en los diseños de nuevos quemadores se manejen niveles máximos del 15% de exceso de aire; éstos varían de acuerdo con el diseño de la caldera y tipo de combustible utilizado (líquido o gas). No obstante, debido a que en las diferentes estaciones del año no hay un nivel fijo de temperatura del aire, es conveconv eniente tomar en consideración los perfiles de las mismas a lo largo de uno o varios años; esto, con la finalidad de tomar en cuenta dichas variaciones para los requerimientos de combustión en la “especificación del

Por otro lado, el cambio de punto de ajuste se ve también modificado por los quemadores que están fuera de operación, así como por ajustes de operación en la caldera y por el entrampamiento de aire. .

Evitar infiltración infiltraci ón de aire.

En los trabajos de mantenimiento, es recomendable una revisión para determinar si existe infiltración de aire. Una forma simple para determinar si ésta existe, es encendiendo el sistema de tiro inducido (si es que existe en la instalación de referencia) y recorriendo con una flama (cerillo de madera, encendedor, etc.) las zonas donde se tenga sospecha de que se está infiltrando aire; la flama se agitará o apagará en los puntos donde exista infiltración; el sellado del hogar en estos sitios permitirá una operación con mejores eficiencias. .

Verificar la operación operación de la compuerta compuerta de aire, para asegurar que responda correctamente a las señales provenientes de los controles.

.

Ajustar la relación de aire/comb aire/combustible ustible para la operación más eficiente, conforme a la carga de operación en la caldera.

7

Asegurar la operación adecuada de los quemadores .

.

Ajustar, mediante un quemador tipo modulante, las condiciones de demanda en calderas con un solo quemador. Ajustar los quemador quemadores es en operació operación n de acuerdo con las variaciones de carga.

En las calderas con múltiples quemadores, cuando las condiciones de carga no requieren el uso de todos o sí se encuentran todos en uso, deberán ser ajustados los patrones de cada quemador (flama, altura, etc.), para dar su máxima eficiencia. .

.

Revisar periódicamente las condiciones de operación de los quemadores.

Controlar los quemadores de acuerdo con las especificaciones del fabricante.

El sistema de control de quemadores se mantendrá de tal forma que se asegure la máxima eficiencia, de acuerdo con las especificaciones del fabricante

Mantener limpias las boquillas de los quemadores.

La limpieza de éstas es esencial para obtener una forma adecuada de la flama. La acumulación de hollín ocurre muy frecuentemente cuando se queman combustibles líquidos. El deterioro de la forma de la flama puede ser indicador de que las boquillas están sucias y deben ser limpiadas. .

.

.

Ajustar los dispositivo dispositivos s de detección de flama.

Los dispositivos de detección de flama se deben ajustar para permitir una operación segura con mínimos excesos de aire (para casos de operación crítica). .

Cuidar la posición de las compuertas de regulación.

Los quemadores diseñados para operar con bajo nivel de NOx deben mantener en buenas condiciones sus compuertas para para la regulación de la combustión en etapas o la recirculación de gases de combustión, es decir,, tienen que estar libres de obstrucción decir obstru cción y ajustadas para responder a las señales de control. Todos los controles restantes del quemador y de Nox deben ajustarse para obtener el mayor control de los Nox, así como una mínima mínima emisión emisión de CO2 y de compuestos orgánicos, a la máxima eficiencia.

En la revisión de la configuración del patrón de la flama, como su color e, incluso, el sonido producido por los quemadores, son indicadores de cambios en la operación. Como recomendación, marque y asegure mecánicamente las posiciones más adecuadas de los mecanismos para poder verificar periódicamente su posición, ajuste y funcionamiento. Los cambios en el ajuste del mecanismo aire/combustible varían la relación de éstos, afectan el nivel de exceso de aire y, como consecuencia, la eficiencia de la caldera.

b) Eliminar las pérdidas de calor.

Revisar que no exista infiltración de aire en los ductos de gases de combustión.

Las siguientes son algunas medidas prácticas que pueden ayudar a minimizar las pérdidas a

Las mayores pérdidas de energía en una caldera convencional se producen a través de los gases que salen de la chimenea, por radiación o por purgas de vapor; es importante evitar estas pérdidas, ya que en el peor de los casos, pueden representar hasta un 30% del combustible suministrado. La cantidad de calor perdido depende de la temperatura y del volumen de gas que sale de la caldera. Por lo tanto, al reducir cualquiera de estos parámetros disminuirá la cantidad de calor perdido.

8

través de los gases de chimenea:

c) Considerar la posibilidad de recuperar calor.

. .

.

.

.

Ajustar el "tiro" en el piso de la caldera Ajustar el exceso exceso de aire aire al nivel recorecomendado por el fabricante del quemador Mantener limpias las superficies de intercambio de calor Recuperar el calor de los gases de chimenea (donde se justifique) Controlar la infiltración de aire

Así mismo, es necesario evitar las pérdidas por radiación, así como las purgas innecesarias. Estas son algunas recomendaciones al respecto: .

Los equipos de recuperación, que incluyen varios tipos de intercambiadores de calor, calor, son localizados en lugares donde pueden absorberlo de los gases de combustión, después de que éstos han pasado por las las secciones de generación y de sobrecalentamiento de vapor en la caldera. Para estos equipos se recomienda: .

Los economizadores ayudan a incrementar la eficiencia de la caldera al extraer el calor de los gases de combustión. El calor es transferido al agua de alimentación. Si éstos ya están instalados, se deben mantener limpias sus superficies de intercambio térmico, para asegurar un grado adecuado de transferenci transf erenciaa de calor. calor.

Evitar pérdidas por radiación.

Es inevitable que una parte del calor de la combustión escape a través de las paredes del hogar (o de la caldera) sin que sea absorbido por el agua. Sin embargo, estas pérdidas de calor por radiación pueden ser controladas, por lo que se recomienda: aislar adecuadamente las paredes del hogar y de la caldera en general, dar un adecuado mantenimiento a las capas del aislamiento y mantener en buen estado el refractario. Una caldera aislada adecuadamente tendrá, a plena carga, pérdidas de calor que no superan el 3% (Tabla 3). Entre mayor sea la capacidad de la caldera, menor deberá ser el porcentaje de pérdidas por radiación. Use estos valores sólo como referencia.

.

calderas

900 000 kg vapor/hora 45 500 kg vapor/hora 23 000 kg vapor/hora 9 000 kg vapor/hora Menores a 9 000 kg vapor/hora .

Pérdidas por radiación 0,5% 0,7% 0,9% 1,0% 1,1 a 3,0%

Evitar purgas innecesaria innecesarias. s.

La purga (extracción de agua) en la caldera,es necesaria para eliminar los sólidos disueltos en el líquido, pero debido a que éste ya absorbió calor, una purga excesiva dará como resultado una pérdida del mismo.

Instalar precalentadores precalentador es de aire.

Los precalentadores de aire, por un lado, enfrían los gases de combustión antes de que salgan a la atmósfera y, por el otro, elevan la temperatura del aire que entra a la caldera para la combustión; de esta forma, aumentan la eficiencia en el quemado del combustible. La corrosión es el principal problema que se presenta al mantener operando eficientemente los precalentadores de aire. El contenido de azufre en algunos combustibles, la humedad en los gases gases de combustión y el tipo de quemado tienen una gran influencia para que se presente la corrosión.

Tabla 3. Pérdidas por radiación en Tamaño de la caldera

Instalar economizadores .

.

Instalar equipos de soplado o lavado.

Algunos precalentadores de aire están provistos con su propio equipo de soplado. Estos equipos utilizan vapor sobrecalentado o aire comprimido seco como el medio de limpieza. Es preferible el uso de aire comprimido en vez del vapor, vapor, debido a la ausencia de humedad; sin embargo, se debe debe asegurar que haya trampas instaladas instaladas y separadores para eliminar la humedad del aire.

9

eficiencia (Tabla 4). Por lo anterior, se recomienda sustituir los sistemas de control analógicos y neumáticos por sistemas digitales de control distribuido (DCS). Este cambio tecnológico permite aumentar la vida útil de las calderas y su confiabilidad; esto, debido básicamente a que los controles en la actualidad son monitoreados con modernas rutinas de cómputo, mismas que realizan los ajustes en tiempo real.

Revisar periódicamente los economizadores (calentadores de agua de alimentación) y precalentadores de aire, para asegurar una buena transferen tran sferencia cia de calor. calor. d) Mejorar el control de las calderas. .

Desde hace 50 años, se han estado dando cambios importantes en la tecnología para el control contr ol de las caldera calderass de vapor vapor,, lo cual ha mejorado significativamente su operación y

Tabla 4. Comparación entre controles analógicos y computarizados Control computarizado

Control centralizado neumático/analógico Distribuidro (DCS)

Requiere calibración constante

Se dan comandos a través de un programa y se queda fija la calibración

Los cambios requieren alambrado

Los cambios se hacen en el programa

Díficil de expander más allá de la configuración inicial

Se puede incrementar fácilmente por expansión

Se dificulta la localización de fallas y su reparación

Autodiagnosticable

Instalado en línea

Módulos desmontables

Adquisición de datos por separado separado

Adquisición de datos integrada integrada

Vulnerable

Tolerancia a las fallas mediante la división de funciones y/o redundancia

De esta forma, las fallas pueden ser aisladas fácilmente y en la mayoría de las veces la corrección es automática. Podría decirse que los sistemas de control de este tipo se inspeccionan a sí mismos.

operación muy estable y silenciosa, además de la posibilidad de trabajar a alta velocidad. Es conveniente aclarar, que esta recomendación es para equipos nuevos, para aquellos en operación actual, se recomienda una revisión del sistema: accionador, accionador, cople y ventilador, esto con la finalidad de emitir una recomendación acorde al desempeño energético, así como determinar su viabilidad.

e) Operar adecuadamente el manejo de aire a la caldera. .

Instalar ventiladores de aspas curvadas hacia atrás.

Existen tres tipos de ventiladores de tiro inducido, más comúnmente usados en las instalaciones generadoras de vapor vapor,, que son: aspas curvadas hacia atrás, aspas rectas y tipo radial. Las más eficientes son las primeras, las cuales ofrecen un 90% de eficiencia; otras ventajas de este tipo de ventilador son su

.

Revisar y limpiar periódicamente los ventiladores y sus carcazas, para evitar la acumulación de polvo y suciedad.

El polvo y la suciedad reducen la eficiencia del ventilador, cambian lentamente la configuración de las aspas y añaden peso. Esta inspección debe efectuarse, cuando

10

menos, dos veces al año o frecuentemente si los ventiladores están localizados en lugares donde haya altas concentraciones de polvo en el aire, cerca de bandas transportadoras, pulverizadores, etc. Aplique las siguientes medidas:

6

6

6 6

Mantenga las bandas tensas y las poleas alineadas

6

Lubrique periódicamente los baleros; cámbielos cuando estén desgastados Utilice accionadores que dispongan de dispositivos para el control de velocidad Instale ductos que reduzcan la caída de presión Reduzca las fugas en los ductos

VI. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR Y RETORNO DE CONDENSADO El sistema de distribución de vapor permite llevar el vapor en la cantidad y calidad requerida por el proceso. En este sistema, es importante: a) Contar Contar con con buenos buenos proce procedim dimien ientos tos de de operación b) Ope Operar rar adec adecuad uadame amente nte las las tramp trampas as de vapor c) Man Manten tener er aislad aisladas as las las tubería tuberías, s, equipo equiposs y dispositivos d) Evi Evita tarr las las fuga fugass de vap vapor or e) Man Manten tener er una pres presión ión de de vapor vapor adecu adecuada ada A continuación se describe cada una de ellas:

.

Reparar cualquier fuga que se presente.

.

Clasificar cada generador de vapor de acuerdo con sus características de desempeño y eficiencia.

De esta forma, durante los periodos de demanda “pico” de vapor, los generadores más eficientes son los que trabajarán a plena o mínima carga, lo cual mantendrá un consumo de energía al mínimo. .

Revisar periódicamente los sistemas de vapor para detectar líneas de vapor usadas con muy poca frecuencia y que puedan ser eliminadas o sacadas de servicio.

.

Mantener los sistemas de trazado con el mínimo flujo requerido, ya que pueden ocasionar desperdicios de vapor.

a) Procedimientos de operación generales. .

Emplear analizadores de proceso y tecnologías de control avanzado.

.

Utilizar adecuadamente los sistemas de vacío.

.

Considerar la viabilidad de sustituir los eyectores de vapor (para producir vacío), por bombas de vacío mecánicas.

.

Operar con el menor número de eyectores de vapor.

b) Operar adecuadamente las trampas de

.

Los sistemas de vacío, cuando no se utilizan adecuadamente, incrementan significativamente el consumo con sumo de vapor vapo r.

Analizar la posibilidad de usar cintas de calefacción eléctricas en lugares remotos. Incluir en el diseño de este sistema, equipos de medición de flujo de vapor. vapor.

La función de las trampas de vapor es la de permitir automáticamente el drenado de

11

condensado que se forma en el sistema, sin dejar escapar el vapor, además de permitir la eliminación de aire y gases incondensables.

no cierra puede representar pérdidas de vapor entre 22 y 45 kg k g vapor/hr., vapor/hr., (50-100 lb vapor/hr). Por ello, establezca un programa de mantenimiento y tome en cuenta que el número de trampas defectuosas debe ser menor del 5% del total.

Para asegurar un funcionamiento adecuado, sin pérdidas de energía, se recomienda: .

Elaborar para cada área operativa, un programa de revisión rutinaria de las trampas de vapor para verificar su operación adecuada.

.

Seleccionar las trampas de vapor de acuerdo a su aplicación y descarga esperada de condensado.

c) Mantener aisladas las tuberías, equipos

.

.

La frecuencia de revisión dependerá de las y dispositivo dispositivos. s. condiciones particulares de cada área; sin embargo, debe revisarse, como mínimo, El aislamiento en tuberías, equipos y accesorios mensualmente. del sistema de distribución de vapor y retorno r etorno de condensado, evitará pérdidas de calor hacia el Mantener un censo actualizado de las ambiente. Es muy importante instalar, en cada trampas de vapor. tramo de tubería, el espesor óptimo de aislamiento. En la tabla No. 5 se indica el efecto que Numere todas las trampas y registre su produce un inadecuado aislamiento. localización en un croquis para facilitar su revisión y registro. Inspeccionar periódicamente el aisla. Capacitar al personal operativo y de mantenimiento sobre las técnicas de pruebas de operación de trampas.

Donde se necesite utilizar equipo ultrasónico, designe personal especializado. .

Asignar máxima máxima prioridad a la reparareparación y mantenimiento de trampas.

El aplicar un procedimiento de mantenimiento periódico puede reducir las fallas en trampas hasta un 3 ó 5%. Una trampa que

miento para reemplazar o reparar los tramos dañados o deteriorados.

Esto es especialmente necesario después de que se han tenido que retirar tramos de aislamiento para reparar fugas de vapor. En general, al menos una vez por año, debe realizarse esta inspección de las líneas de vapor.. Durante una inspección de rutina, vapor debe identificarse el daño físico, grietas; bandas y cintas de sujeción rotas; juntas rotas o dañadas; y/o cubiertas dañadas.

Tabla 5. Pérdidas de calor por cada 10m de tubería de vapor sin aislamiento Diámetro nominal (mm) 25,4 50,8 101,6 203,2 304,8

1,05 kg cm2 45,93 77,09 136,15 232,78 346,13

Pérdida de calor en M Btu / año Presión del vapor 10,56 kg cm2 12,12 kg cm2 42,25 kg cm2 93,50 123,03 162,40 157,48 206,69 275,59 278,87 367,45 492,12 505,25 666,01 894,02 721,78 954,72 1286,08

Tubo de acero en posici posición ón horizontal, temperatura ambiente 24°C, sin velocidad en el aire y una operación de 8760 horas/año. Fuente: DOE.- Energy Tips

12

.

Un instrumento muy útil para verificar el estado del aislamiento es el termógrafo.

Este instrumento indica la temperatura superficial con imágenes compuestas de varios colores; es ideal para revisar áreas extensas. Los pirómetros de contacto y pistolas caloríficas deben estar en contacto directo con la superficie, para medir su calor calor.. .

Para evitar pérdidas de energía por fugas de vapor,, se recomienda: vapor recomie nda: .

.

Revisar el aislamiento después de cualquier mantenimiento mantenimiento..

Las áreas donde se han efectuado otros trabajos de mantenimiento, tienen que revisarse para identificar dónde debe repararse el aislamiento. Las colchas aislantes desmontables volverán a colocarse sobre sus equipos. Como regla, los últimos traba jos de mantenimiento serán: la reparación, reemplazo o reinstalación de los aislamientos. .

d) Evitar las fugas de calor.

Bloquear las líneas de vapor que no estén en operación.

Evitar las fugas de d e vapor. vapor.

.

.

Todas las fugas de vapor deben repararse tan pronto como sea posible. E n l o s p r o c e d i m ie n t o s d e mantenimiento, especifique las juntas y empaque empaques s para las bridas de las válvulas. Recurra a un especialista en reparación de fugas, si el sistema de vapor no puede ser sacado de operación. En el diseño del sistema de vapor, se debe evitar el uso de conexiones roscadas.

Se recomienda consultar el código ANSI para el uso de conexiones para diferentes presiones de vapor e) Mantener una presión de vapor adecuada.

Las fugas de vapor son una forma visible v isible de desperdicio de energía y, por lo mismo, también indican una indiferencia por la operación eficiente del sistema. Existen dos métodos para estimar las pérdidas de vapor por fugas: En función del tamaño del orificio (Tabla (T abla 6) y en función de la presión de operación vs altura de pluma (Tabla (Tabla 7).

.

Usar vapor a la mínima presión posible, para servicios de calentamiento.

Esto reducirá el consumo de energía. Los cambios en el proceso o en los equipos, frecuentemente permiten el uso de una menor presión pr esión del vapor vapo r.

Tabla 6. Pérdidas de vapor (Método del tamaño del orificio) Presión de vapor kg/cm2 8,1 8,1 8,1 8,1 8,1 29,2 29,2 29,2 29,2 29,2

(psi) (115) (115) (115) (115) (115) (415) (415) (415) (415) (415)

Tamaño del orificio mm 1,58 3,17 6,35 12,7 25,4 1,58 3,17 6,35 12,7 25,4

(plg) (1/16”) (1/8”) (1/4”) (1/2”) (1”) (1/16”) (1/8”) (1/4”) (1/2”) (1”)

Pérdida de vapor kg/hr 6,82 27,3 109,1 459,1 1772,7 659,1 2636,4 10 545,4 42 181,8 169 090,9

lb/hr (15) (60) (240) (1 010) (3 900) (1 450) (5 800) (23 200) (92 800) (372 000)

13

.

Estas consideraciones tendrán que tomarse en cuenta en la fase de diseño; cualquier cambio posterior, en proceso o equipo que se recomiende, debe de ser analizado desde el punto de vista económico para justificarlo.

Existen grandes ahorros cuando se eliminan los venteos y reducciones de presión. La instrumentación tendrá que considerar, desde su diseño, el monitoreo constante de la presión y los venteos ve nteos de vapor vap or..

Aprovechar el vapor a todos los niveles de presión posible.

En resumen, el sistema de vapor tiene que balancearse adecuadamente.

En el vapor de alta presión no deben utilizarse válvulas reductoras de presión, y el vapor de baja presión no es conveniente que sea venteado a la atmósfera.

La tabla 7 muestra el valor de las pérdidas de vapor, en kilogramos de vapor ó libras de vapor por hora, para un largo de pluma y una temperatura ambiente determinada.

Tabla 7. Pérdidas de vapor (Método por altura de pluma) Altura de la pluma pluma 2 8,1 kg/cm (115 psi) 0,91 3 ft 1,83 6 ft 2,74 9 ft 3,66 12 ft 29,2 kg/cm2 (115 psi) 0,91 3 ft 1,83 6 ft 2,74 9 ft 3,66 12 ft

Pérdida de vapor kg/hr (lb/hr) ambiente 7,2 °C (45°F) ambiente 21,1 °C (70°F) ambiente 32,2 °C (90°F) ambiente 4,54 13,63 31,81 50,00

(10) (30) (70) (110)

13,63 27,27 190,90 295,45

(30) (170) (420) (660)

22,72 127,27 318,18 500

(50) (280) (700) (1 100)

9,09 22,72 59,09 100,00

(20) (50) (130) (220)

15,90 77,27 227,27 395,45

(35) (170) (500) (870)

22,72 131,81 363,63 636,36

(50) (290) (800) (1 400)

FUENTE : "Metodología para Evaluar Sistemas de Generación y Distribución de Vapor". Conae 2000, 1ª. Edición, México.

CIBO. Council of Industrial Boiler Owners, Energy Efficiency Handbook.- 1997, USA

Department of Energy (DOE) de los E.E.U.U. Manufacturers ers Association "Diagnósticos Energéticos del Sistema de American Boiler Manufactur Generación y Distribución de Vapor de (ABMA). Corporativos y Pequeñas Empresas, 1999. American National Standards Institute (ANSI) Conae, México. Secc. B 31 (Última edición) ASME Power Test Codes, Código PTC 4.1 para pruebas de potencia en unidades de generación generac ión de vapor, vapor, 1964. Plauchu Lima, Alberto, "Eficiencia en Calderas", 1a. Edición, Edic ión, México, Méx ico, D. F. F.

Lo invitamos a consultar el Sitio en Internet de la Comisión Nacional para el Ahorro de Energía (Conae), para ampliar la información: http://www.conae.gob.mx

14

CALIDAD DE AGUA PARA GENERADORES DE VAPOR TABLA DE CONTENIDOS INTRODUCCIÓN .......... OPERACIÓN DE LA CALDERA ............ Producción Producción de Vapor ..................... Agua de alimentación ali mentación a la caldera ....... ....... Presiones en Calderas......... Capacidades de Calderas............ CONTROL DE LA CALIDAD DEL AGUA ............ Consideraciones en el agua de alimentación .......... Control de Solidos Disueltos Totales ............... Control de Alcalinidad .......... Control de la Dureza Total ........... S umario de la Cal idad del Agua ...... CALCULO DE UN SUAVIZADOR .................... Análisis de la Dureza en el Agua ........... Determinar el volumen de agua de alimentación .......... Selección del suavizador ........... Capacida Capacidad d en los S uaviz uavizad adores ores ......... Frecue Frecuencia ncia de Rege Regene nerac ración ión en e n un S uaviz uavizad ador or ......... ............ ... Tecnología en el diseño y operación ............... BIBLIOGRA BIBLIOGRAFÍA FÍA .......... ..... ......... ....

CD. MÉX MÉXICO: ICO: Tenango #46 #4 6 , La Loma, Loma , Tlalnepantla, EM, 5406 0 C onm (5 ) 56 5 8 876, 87 6, Fax (5) 370 9489 94 89,, econetmx@ econetmx@inf inf osel os el..net.mx MONTERREY: MONTERREY: Físi Físi cos #207 # 207 , Tecnológ Tecnológ ico , Monterrey Monterrey,, NL, 647 00, 00 , Tel Tel (8) 358 7522 75 22,, Fax Fax (8) 387 3 216 21 6 LEON: Madero Madero #3 09, 09 , Centro, Centro, León, G to, 37000 370 00.. Tel Tel (47) 13 1548 15 48 Fax (47) 13 1 548, 54 8, www. www.econex econext.c t.com.mx om.mx

INTRODUCCIÓN Una de las aplicac aplicaciiones mas c omunes para par a el Suavizador de Interc Int ercambio ambio Iónico Iónic o ; es el suavizar el agua para alimentación a las calderas de vapor . La mayoría de las Industrias y muchos establecimientos comerciales necesitan Vapor. El Vapor es empleado en las fabricas textiles para producir , formar y teñir los productos . Las tintorerias emplean Vapor para planchar la ropa. Las compañias empacadoras y de alimentos emplean Vapor para c ocinar y procesar proc esar ali alimentos. Las Las panaderia panaderiass preparan el pan con Vapor . Las Las Cervecerias emplean Vapor para producir la Cerveza. Las Calderas son frecuentemente empleadas para calentar agua en hoteles , hospitales , lavanderias y grandes construcciones. Este opera muchas de las Turbinas empleadas para produci produc ir energía eléctr eléctriic a . Como regla regla general , las grandes fabricas o operaciones industriales , son los mas adecuados lugares que hay para buscar uno o mas generadores de vapor en operación.

OPERACIÓN DE LA CALDERA Producción de Vapor La Mayoria de las Calderas o Generadores de Vapor tienen muchas cosas en comun . Normalmente Normalmente en el fondo esta la camara camar a de c ombustión o el horno en donde es mas económico introduci ntroduc ir el combustibl com bustiblee a traves del quemador en forma form a de flama flama . El quemador es controlado automáticamente para pasar solamente el combustible necesario para mantener la presión en el vapor vapor deseada. La flama o el calor calor es dirigi dirigido do o distribuido distribuido a las superficies de calentamiento , que normalmente son tubos , fluxes o serpentines . en algunos algunos diseños el agua fluye a traves tr aves de los los tubos o serpentines ser pentines y el c alor alor es apli aplic ado por fuera , este diseño diseño es llamado “Cal “Calderas de Tubo de Agua” . En otros diseños diseños de calderas , los tubos o fluxes estan sumergidos en el agua y el calor pasa en el interior de los tubos , estas est as son s on ll llamadas “Calderas “Calderas de Tubos de Humo”. Humo”. Si el agua es sujeta sujeta tambien a contacto con el humo o gases calientes mas de una vez , la caldera es de doble , triple o multiples pasos.


DIAGRAMA DE FLUJO AGUA-VAPOR

Retorno de condensados

Make-up

Línea de Vapor

Tanque de condensados

Purga Continua

Purga de fondo

Bomba de alimentación

El agua cal c alentada entada o vapor se levanta levanta de la la superfi superf ic ie del del agua se vaporiza y es colectada en una o varias camaras o tambores . El tamaño del tambor determina la capacidad de producc produc c ión de vapor . En la la parte superi s uperior or del tambor de vapor se s e encuentra encuentr a la sali salida o el llamado “Cabezal de vapor” , desde donde el vapor es conducido por tuberías a los puntos de uso. En la parte superior del hogar mecanico se encuentra una chimenea de metal o de ladril ladrilllo , la la c ual c onduce onduc e haci hac ia fuera fuer a los produc pr oductos tos de la la c ombustión ombus tión c omo gases. En el fondo de la caldera , normalmente opuesto del hogar mecánico , se encuentra una válvula válvula de sal s aliida llamada llamada “purga “pur ga de fondo” f ondo” . Por esta es ta válvula válvula s alen alen del del s istema st ema la la mayoria del del polvo polvo , lodos y otras otr as sustancias sus tancias no deseadas deseadas , que son purgadas de la caldera. caldera. En conjunto a la caldera existen multiples controles de seguridad , para aliviar la presión si esta se incrementa mucho , para apagar la flama si el nivel del agua es demasiado bajo o para automatizar el c ontrol ontr ol de nivel nivel del agua. Un tubo de vidrio vidrio c on una c olumna olumna de agua generalmente se incluye , para mostrarle al operador el nivel interno del agua en la caldera.


Caldera de Vapor

TDS en conjunto con los TDS que entran en el agua de reposición se concentran en el interior de la caldera.

Agua de de alimentació aliment ación n a Caldera Caldera El agua de alimentación a la caldera es comúnmente almacenado en un tanque , con capacidad suficiente para atender la demanda de la caldera , Una válvula de control de nivel mantiene el el tanque c on agua , una bomba de alta alta presi pres ión empuja el agua haci hac ia adentro de la caldera , se emplean bombas de presión debido a que generalmente las calderas operan a presiones mucho mas elevadas que las que encontramos en los tanques de agua. Vapor limpio es agua pura en forma de gas , cuando el vapor se enfria se condensa es agua pura , normalmente conocida como “condensados” . Normalmente estos condensados contienen una gran cantidad de calor que puede ser empleada . Estos condensados son casi perfectos como “make-up” o alimentación a la caldera una vez que ha sido degasificada para eliminar los gases disueltos como el oxigeno.


Esto siempre y cuando es posible si los condensados son retornados a la caldera y c olectados olectados en un tanque conoc ido como “tanque “tanque de condensados” condens ados” . Cuando Cuando el condensado es recuperado en un tanque de este tipo , generalmente se elimina del diseño el tanque del “make-up” . En algunas instalaciones , el retorno de condensados puede llegar a ser del 99% casi supliendo el agua de make-up . A mayor porcentaje de recuperación de condensados será menor el agua de alimentación a la caldera o make-up. Hay otras instalaciones que probablemente probablemente requieran requieran emplear emplear el 100% de make-up , esto puede ser por varias varias razones , como com o que el c ondensado no se puede recuperar rec uperar o que el condensado condens ado esta contaminado por alguna parte del proceso.

Presiones en la caldera La temperatura y la presión en la operación de cada caldera definitivamente estan relacionadas , como se muestra en la siguiente tabla:

Punto de Ebullición del agua A Dif Di ferentes Presiones Temper atur a oF oC

Pr es ión P. S.I.

212 300

100 149

0 52

400

204

232

500 600

260 316

666 1529

700 705

371 374

3080 3200

A presión atmos feri fer ic a normal norm al el agua tiene un punto de ebulli ebullic ión a 100oC , a mayor presión el punto de ebull ebullic ión se incrementa ncr ementa , hasta alc alc anzar anzar un máximo máximo punto de ebullición a 374oC a una presión de 3200 libras por pulgada2 (220.63 bars). Por encima de esta temperatura el agua no existe como liquido.


Capacidades de Caldera Las calderas son catalogadas en base a la cantidad de vapor que ellas pueden producir en un cierto periodo de tiempo a una cierta temperatura. Las calderas mas grandes producen 1´000,000 de li libras por hora ho ra o son catal cat alogadas ogadas en base a 1 “cabal “c aballlo de fuerza” fuer za” o “cabal “c aballo lo vapor cal c aldera” dera” por cada c ada 34.5 34. 5 lilibras de agua que pueden ser evaporadas por hora. Otra definic definic ión es 1 “cabal “c aballlo de fuerza” fuer za” por c ada 10 pies2 pies2 de superf sup erfiic ie de calentamiento en una caldera de tubos de agua o 12 pies2 de superficie de calentamiento en una caldera de tubos de humo.

CONTROL DE CALIDAD DEL AGUA Consideraciones en al agua de alimentación Las calderas necesitan pre tratamiento externo en la alimentación del agua o make-up dependiendo del tipo de caldera , la presión de operación , o del sistema total . Tratamiento químico interno es necesario , dependiendo del tratamiento externo del agua. El tratamiento tratamiento externo del agua agua reduce reduc e la dosific dosific ación de produc tos químic químic os y los los costos c ostos totales de operación . Esta publicación esta enfocada principalemente a la reducción de Dureza Total en el agua mediante equipos de intercambio iónico. Los Solidos Disueltos Totales y la Alcalinidad son tambien muy importantes por lo que los vamos a comentar en forma mas superficial.


Control de Solidos Disueltos Totales Cuando el agua es evaporada y se forma vapor , los minerales o solidos disueltos y suspendidos en el agua , permanecen dentro de la caldera . El agua de reposición contiene una carga normal de minerales disueltos , estos hacen que se incrementen los solidos disueltos totales dentro de la caldera. Después de un periodo de tiempo los solidos disueltos totales (TDS) alcanzan niveles críticos dentro de la caldera. Estos niveles en calderas de baja presión se recomienda que no excedan 3500 ppm (partes por millon o mili miligramos por litro) litro) . TDS por enci enc ima de este rango pueden causar caus ar espuma , lo que que va a generar arrastr arr astres es de altos conteni c ontenidos dos de TDS T DS en las las líneas de vapor , las vál válvulas vulas y las tramas tr amas de vapor. vapor . El increm nc remento ento en los los niveles niveles de TDS dentro de la c aldera aldera es es conoc ido c omo “ciclos de conc entración” , este es te termino es es empleado empleado muy seguido en en la la operación y contr c ontrol ol de la la cal c aldera dera . Agua de alimentac alimentaciión que c ontiene 175 ppm de TDS puede ser c oncentrada oncentr ada hasta hasta 20 veces para alc alc anzar anzar un máximo máximo de 3500 ppm . Para Par a expli explic ar mejor mejor los ciclos de concentración empleamos el siguiente ejemplo , si nosotros tenemos 20 botell botellas de un galon galon , cada una de ell ellas c ontiene ontiene 175 ppm de TDS y 19 de estas botell botellas es evaporado , dejando el contenido de solidos de 175 ppm de cada uno dentro de la ultima botella de agua , la mezcla de las sales de las 19 botellas con la ultima botella de agua nos dará como resultado 20 ciclos de concentración. Recordemos que la máxima cantidad recomendada de solidos disueltos totales TDS en una caldera de baja presión es de 3500 ppm . En Cal Calderas de mayores presiones de operación los límite límitess de TDS disminuyen en relación a la presión pr esión de operac ión. En el tema “Sumari “Sumar io de la Cal Caliidad del Agua” (adelante en esta sección) encontraremos la Tabla A en donde se ilustra este factor. Para controlar los niveles máximos permisibles de TDS , el operador debe de abrir en forma for ma periódic periódic a la válvula válvula de purga de la c aldera. aldera. La purga es el primer paso para el el c ontrol ontr ol del agua en la la caldera y esta debe de ser s er en periodos o itervalos de tiempo . La La frecuencia es dependiendo la cantidad de TDS en el agua de reposición y de la cantidad de agua de reposici r eposición ón introduc introduciida . En En calderas calderas grandes o más críti cr íticas cas las purgas deben de ser automáticas o continuas.


Control de la Alcalinidad Adicionalmente al control de los ciclos de concentración de los TDS , la alcalinidad debe de ser considerada con mucha precaución. Los niveles de alcalinidad cuando se tienen calderas de baja presión , no deben de exceder las 700 ppm . La presencia de alcalinidad por encima de los 700 ppm puede resultar en un rompimiento rompimiento de los bic bic arbonatos produci produc iendo c arbonatos y liberando CO2 (dióxido (dióxido de c arbono) libre en el vapor . La presc encia de CO2 en el vapor generalmente generalmente se tiene tiene como com o resulta r esultado do un vapor altamente altamente c orros ivo , causando caus ando daños daños por corros c orros ión en las líneas líneas de vapor vapor y retorno de c ondensados. El nivel de alcalinidad generalmente controla el total de ciclos de concentración en la c aldera. aldera. Si el agua de r eposici eposic ión contie con tiene ne 70 ppm de alc alc ali alinidad total en una c aldera aldera que no deba de exceder la la concentración concentr ación de 700 700 ppm se podra operar operar a 10 c ic los de c oncentración oncentr ación (700 ppm / 70 ppm = 10 cic cic los) . Revisando Revisando el ejempl ejemplo o previo previo si se c onside ons idera ra que q ue esta es ta cal c aldera dera no n o debe de exceder los 3500 ppm de TDS en el interior de la caldera , y si el agua de reposición tiene 175 ppm de TDS esto significa que en base a TDS el agua agua puede operar a 20 ciclos de concentr c oncentración ación (3500 ppm / 175 ppm = 20 c iclos) . Pero si nosotros nos otros basamos nuestros ciclos de conc entración en los los TDS , la alcali alcalini nidad dad en el interior interior de la cal c aldera dera alc alc anzara los 1400 ppm (70 ppm de al alc alini alinidad dad X 20 ciclos = 1400 ppm) , se excedera el límite de los 700 . Por lo tanto la purga en la caldera en este ejemplo ejemplo deberá de ser s er realizada realizada en base a la alc alc ali alinidad y no en en base a los TDS. T DS. Aunque este est e artíc artí c ulo no esta enfoc ado a la alc alc ali alinidad nidad o el tratamiento tr atamiento de la alc alc ali alinidad nidad , pero debe de ser obio que es mejor tener menor purga pur ga en la la caldera caldera o mayor numero de de ciclos de c oncentración oncentr ación (la purga se convierte convierte en perdida perdida de calor calor y energía) energía) por lo lo tanto en algunas ocaciones un Dealcalinizador debe de ser empleado. La reducción de la alc alc ali alinidad nidad puede hacer que el c ontrol ontr ol de la la purga y los los c ic los de conc c oncentrac entrac ión se reali realic e en base a los niveles de TDS. La dealcalinización es un proceso por el cual agua suavizada es pasada hacia una unidad que contiene resina aniónica. La resina aniónica remueve aniónes como sulfatos , nitratos , carbonatos y bicarbonatos , estos aniónes son reemplazados por cloruros . Sal (cloruro de sodio) es empleada para regenerar la resina aniónica cuando esta se satura.


La necesidad de emplear agua suavizada en el equipo Dealcalinizador es por el peligro de preci prec ipitación pitación de carbonato car bonato de calcio y de hidroxid hidroxido o de magnesio en la c ama del Dealcalinizador . Por lo cual , la cama de intercambio iónico del anión obstruira con materia suspendida. Esto es por que la resina del Dealcalinizador es mas ligera que la convencional de un suavizador , por lo tanto el retrolavado es mucho menor y este es insuficiente para remover la materia suspendida,. Emplear un suavizador como pre tratamiento sirve ademas de eliminar la dureza del agua como protección al Dealcalinizador. La concentración permitida en el interior de la caldera de TDS al igual que de alcalinidad va dism dismiinuyendo a medida medida que la la capaci capac idad de las las caldera caldera de presi pres ión s e va incrementando . Esto se puede observar en la Tabla A incluída en el sumario de calidad de agua.

Control de Dureza Total Hasta ahora hemos descrito en pocas palabras lo correspondiente a la concentración de TDS y alc alc ali alinidad nidad dentro de la c aldera aldera , el tratamiento trat amiento y efecto efec to de la la dureza total en el agua debe de ser revisada al detalle. La formac for maciión de incrust incr ustac aciión en las las superificies s uperificies de la la c aldera aldera es el probl prob lema mas serio encontrado en la generación de vapor.


La primera causa de la formación de incrustación , es debido al hecho de que la solubilidad de las sales decrese a medida de que se incrementa la temperatura aumentando la facilidad de precipitación. Consecuentemente , la alta temperatura (y presión) en la operación de las c alderas alderas , las sales sales se vuelven vuelven mas insolubles nsolubles , la preci prec ipitación pitación o incrustac ncr ustaciión aparece . Esta incrustac ncr ustaciión puede ser prevenida prevenida de ser formada en las calderas mediante el empleo de un tratamiento externo. (suavizador) . Como s ea para alc alc anzar un alto alto grado de eficiencia , se recomienda rec omienda el c ontrol ontr ol de la la duraza antes de entrar a la caldera , el s uavizador uavizador en si mismo es un medio medio muy adecuado para proteger a la caldera de incrustación. El uso de tratamiento internos (productos (pr oductos químic químic os) , son empleados empleados como com o c omplementos omplementos , para mantener un c ontrol de la incrustación en la caldera altamente efectivo. En todos los casos , se tendra un pequeño remanente de dureza en el agua agua de ali alimentación a la la caldera , incluso en el agua agua suavizada , ademas de encontrar otras sales presentes . Por lo tanto el uso de compañias proveedoras de productos produc tos químic químic os para el tratamiento tratamiento de la caldera es necesari necesar io. La presenc ia de incrus nc rustación tación en la caldera es equival equivalente ente a extender extender una pequeña c apa de aislamie aislamiento nto a lo largo largo y en toda t oda el área de cal c alentamiento entamiento , esta est a material aislante aislante térmi térm ic o va a retardar y7o impedir la transferencia del calor , causando perdidas de eficiencia en la caldera , por lo tanto incrementa el consumo de energía. Un estudio estu dio realizado realizado por la la WQA (Water Quality Quality Ass Ass oci oc iation) en 1980 en calentadores convencionales residenciales , demostro un efecto muy significante en la eficiencia de transferencia de calor , cuando la incrustación estaba presente. La incrustación presente en esos es os sistemas sist emas resul res ulto to en un consumo cons umo adic adic ional del 22% en BTU´s TU´s en unidades unidades operadas con gas y en un 17% en unidades operadas con electricidad. Además mas importante que el efecto de perdida en la transferencia de calor e incremento en consumo de energía , es que la incrustación puede causar un sobre calentamiento en el metal de los tubos de la caldera , generando fallas de rompimiento en los tubos. Este problema problema requiere requiere una costosa cos tosa reparación ademas de tener que sacar sac ar a la c aldera aldera del servicio. En las calderas modernas con alta eficiencia de transferencia de calor , la presenc ia e incluso extremadamente delgada delgada de incrustac ncr ustaciión , puede c ausar una muy seria elevación de la temperatura en los tubos de metal. La cubierta de incrustación retarda retar da el flujo flujo de c alor alor del horno haci hac ia el agua para generar vapor , esta es ta resi res is tencia tenc ia al calor resulta en un rapido incremento en la temperatura del metal al punto en donde se presenta la fall falla. El posible posible daño causado caus ado en la c aldera aldera no es solo costoso cos toso , además es muy peligros peligros o debido a que la la caldera opera a presión. CD. MÉX MÉXICO: ICO: Tenango #46 #4 6 , La Loma, Loma , Tlalnepantla, EM, 5406 0 C onm (5 ) 56 5 8 876, 87 6, Fax (5) 370 9489 94 89,, econetmx@ econetmx@inf inf osel os el..net.mx MONTERREY: MONTERREY: Físi Físi cos #207 # 207 , Tecnológ Tecnológ ico , Monterrey Monterrey,, NL, 647 00, 00 , Tel Tel (8) 358 7522 75 22,, Fax Fax (8) 387 3 216 21 6 LEON: Madero Madero #3 09, 09 , Centro, Centro, León, G to, 37000 370 00.. Tel Tel (47) 13 1548 15 48 Fax (47) 13 1 548, 54 8, www. www.econex econext.c t.com.mx om.mx

Un hecho real ofrecido en esta publicación , es que la presencia de cualquier tipo de incrustación en la caldera debe de ser considerada con mucha importancia. Como se c omento la incr incrustac ustaciión puede ser prevenida prevenida de formars for marsee en las calderas calderas de forma for ma interna (productos químicos) y/o externa (suavizador). Como sea el tratamiento interno solo es mas costos c ostoso o y se incr incrementa ementa a elevados elevados rangos de dureza. dureza. El El uso de un suavizador suavizador de agua en conjunto con un tratamiento químico es más efectivo , confiable ,seguro y económico , significa control de la calidad del agua en una caldera.

Sumario de calidad del Agua Antes de discutir técnicas de selección de un equipo suavizador de agua , permitanos revisar rápidamente la la calidad calidad del agua en las las tres tr es pri pr inci nc ipales pales áreas , TDS (sóli (s ólidos dos disueltos totales) ,alcalinidad y dureza. •

Solidos Solidos Disuelt Dis ueltos os Totales Totales (TDS) (TDS) La concentración máxima de TDS en una caldera de baja presión es 3500 ppm

•

Alcalinidad La concentración máxima de alcalinidad en una caldera de baja presión es 700 ppm

•

Dureza La dureza máxima permitida en cualquier caldera , debe de ser prácticamente “cero” ppm.


TABLA A Calidad recomendada para Calderas Calder a de Vapor Pr es ion (PSI)

M áximo

M áximo

TDS (ppm) Alcalini dad

M áximo Dureza

meno r

30 0

35 00

70 0

20

30 1

45 0

30 00

60 0

0

45 1

60 0

25 00

50 0

0

60 1

75 0

20 00

40 0

0

75 1

90 0

15 00

30 0

0

90 1

10 00

12 50

25 0

0

10 01

15 00

10 00

20 0

0

15 01

20 00

75 0

15 0

0

20 01

30 00

15 0

10 0

0

Obviamente en la presente tabla , se indica que a mayor presión en una caldera , el proceso proc eso y la necesidad de tener mejor mejor c ali alidad de agua es necesari necesar io.

CALCULO DE UN SUAVIZADOR El proc edimiento edimiento para selec seleccc ionar un suavi su avizador zador adecuado adec uado para la la ali alimentación mentac ión del agua a la caldera , muchas consideraciones deben de ser revisadas . De entrada y es básico obtener un análisis del agua , los caballos de vapor de la caldera y la información pertinente pertinente sobre sobr e la recuperación rec uperación de vapor en condensados condens ados . Cada una de esta áreas debera de ser calculada antes de comenzar el proceso de slección del suavizador.

Análisis de la Dureza en el Agua La dureza en el agua esta formada de calcio y magnesio , La dureza en diferentes fuentes natural natur ales es de agua puede variar variar en forma for ma muy cons c onsiiderable , depende de c ada tipo de fuente de donde el agua es obtenida . Algunas zonas en el país que tienen formaciones de piedra piedra c ali aliza , el agua generalmente generalmente tiene tiene alto alto contenido de dureza . El agua superfi superf ic ial esta generalmente diluída con agua de lluvia , el agua de la lluvia que cae en la tierra , se va filtrando pasando por diferentes capas de la tierra , en muchas de ellas va diluyendo sales y principalmente dureza. CD. MÉX MÉXICO: ICO: Tenango #46 #4 6 , La Loma, Loma , Tlalnepantla, EM, 5406 0 C onm (5 ) 56 5 8 876, 87 6, Fax (5) 370 9489 94 89,, econetmx@ econetmx@inf inf osel os el..net.mx MONTERREY: MONTERREY: Físi Físi cos #207 # 207 , Tecnológ Tecnológ ico , Monterrey Monterrey,, NL, 647 00, 00 , Tel Tel (8) 358 7522 75 22,, Fax Fax (8) 387 3 216 21 6 LEON: Madero Madero #3 09, 09 , Centro, Centro, León, G to, 37000 370 00.. Tel Tel (47) 13 1548 15 48 Fax (47) 13 1 548, 54 8, www. www.econex econext.c t.com.mx om.mx

El grado de dureza en cada lugar nunca deberá de ser asumida. Se debe de hacer todo el esfuerzo posible para obtener un análisis del agua en el luger en donde se va a instalar la caldera. Esto nos va a asegurar una alta eficiencia en el proceso de selección del suavizador. El orden para seleccionar un suavizador de agua , comienza con determinar como primer paso la cantidad cantidad de dureza . Muchos de los análi análisis del agua expresan la dureza en “partes por mil millon” (ppm) . Las Las partes por mil millon deben deben de convertirs convertirsee a “granos por galón” galón” (gpg) , para poder cal c alcc ular ular el tamaño del s uavizador. uavizador. Para P ara c onverti onvert ir la dureza expresada expres ada en ppm a gpg hay hay que dividi dividirr los ppm entre 17.1 . Ejemplo: Ejemplo: si nos reportan repor tan una dureza total de 342 ppm se convierte de dividiéndola entre 17.1 por lo tanto equivale a 342 / 17.1 17. 1 = 20 gpg (granos ( granos por galón) . Esta medida medida significa significa cuantos granos de resina se necesitan para suavizar un galón de agua.

Determinar el volumen de agua de reemplazo Para determinar la cantidad de agua empleada para alimentar una caldera , se necesita hacer algunos calculos ; para convertir la capacidad promedio de la caldera a abastecimiento máximo de agua en galones . La capacidad promedio de una caldera es expresada de muchas muc has maneras , como c omo sea todas todas se pueden convertir a el factor fac tor comun c omun que es “Caball “Caballos Vapor Vapor Caldera” Caldera” . Por cada c ada caballo caballo vapor caldera , la la caldera requiere alimentarse con 4.25 gallones por hora. Para convertir la capacidad de la caldera expresada expres ada en otras otr as unidades le anexamos la la siguiente siguiente tabla tabla de referenc ref erenciia.

Libras de Vapor por hor a BTU ´s Pi es cuadrados - tubo de agua Pi es cuadrados - tubo de humo

Factor de Conversi Conversi ón (HP) Div ide / 34. 5 Div ide / 33, 475 Div ide / 10 Div ide / 12


Una vez determinada la capacidad de la caldera en caballos de fuerza , dos factores adic adic ionales onales hay que c onsi ons iderar dos fac tores tor es adic adic ionales onales , primero hay que c alc alc ular ular la cantidad de agua necesaria de abastecimiento a la caldera en un periodo de 24 horas. Es primero para poder determinar la la canti c antidad dad de condensados c ondensados que re recuperan. r ecuperan. La cantidad cantidad de condens c ondensado ado recu r ecuperado perado en una caldera es una informac nfor mación ión vital en la selecc ión de un s uavizador uavizador . El operador de la la caldera o el ingeniero ngeniero de diseño generalmente c onocen onoc en esta informaci informac ión . La cantidad cantidad de condensados recuperada es es restada de la c apacidad apacidad máxima de alimentación a la caldera , calculada del los caballos vapor o caballos de fuerza. La cantidad neta se obtiene del resultado de la cantidad máxima en base a los caballos de vapor , menos la cantidad de condensados recuperados en el sistema. Un método muy preciso para determinar la cantidad neta de agua de reposición a la c aldera aldera por cada c ada hora , o el porcentaj porc entajee de condensado recuperado , puede ser s encill encillo de determi determ inar en c alderas alderas en operaci operac ión mediante la c omparación ompar ación del del análisi análisiss del agua del c ondensado ondens ado en en el tanque de recuperac rec uperac ión y del agua de repos ic ión. En la c omparac ompar aciión de estos dos fl f lujos ujos de agua uno puede ser muy presiso pr esiso en la la determinación de la c antidad de condensados condens ados rec r ecuperados uperados en el sistema. sist ema. Ejemplo: Ejemplo: El tanque de c ondensados ondens ados el agua c ontiene ontiene 300 ppm de sóli sólidos disueltos disueltos totales totales (TDS) ( TDS) y con el dato conoci conoc ido de que el agua de alimentación contiene 600 ppm de TDS , esto indica que tenemos un retorno de condensados del 50%. Como se describio antes en esta publicación , el condensado tiene prácti prác ticc amente cero cer o de TDS T DS , c uando este llega llega al tanque de condensados c ondensados . Por otra parte el agua agua de repuesto r epuesto tiene 600 ppm de T DS , dil diluída entre entre cero ppm del c ondensado , el el agua mezcl mezc lada entre si , al tener 300 ppm es en res ultado ultado de una dilución dilución al 50% , lo que significa un retorno de condensados del 50%. El ultimo ultimo paso pas o en la la recopil rec opilac aciión de infor informac maciión para nuestro nuest ro proc pr oceso eso de selecc ión de un suavizador , es obtener el numero de horas al día en que la caldera esta en operación . Esto no es solo importante en la determinación del volumen de agua para alimentar la caldera , tambien es importante esta información para determinar el diseño de nuestro sistema de suavización. Una caldera que opera las 24 horas del día , necesitará agua suavizada todo el tiempo, por lo tanto en el diseño se tiene que considerar dos unidades. En sistemas en donde la operación es solamente 16 horas al día , un suavizador sencillo o de una unidad cumple con las necesidades de la caldera. El tiempo típico para regenerar un suavizador es menor a tres horas.


Selección del Suavizador Ahora ya estamos listos para procesar un cálculo típico para seleccionar un suavizador , la información debera de ser primero reunida , basada en todos los aspectos mencionados en esta sección. Una lista de todos los factores de diseño , deberá de ser primero realizada. Lo siguiente representa una caldera típica , de donde nosotros calcularemos la demanda de un suavizador. •

Determinar la Dureza en el agua

El análisis recibido o muestreado es en partes por millón (ppm) , convertirlo a granos por galon galon (gpg) , divi dividi diéndol éndolo o entre 17.1 ; 342/17.1 = 20 gpg •

Determinar los caballos vapor caldera (caballos de fuerza)

Si la capacidad de la caldera la tenemos en libras por hora de vapor. Convertirla a c aball aballos (H ( HP) , 3450 libras libras por hora entre 34.5 = 100 HP HP (ver tabla tabla de c onversión) •

Determinar la alimentación de agua máxima a la caldera

La capacidad de la caldera es de 100 HP (caballos de fuerza) , convertir los HP a galones de agua por hora necesarios para alimentar la caldera , HP X 4.25 galones por hora , 100 X 4.25 4. 25 =425 galones galones por hora •

Determinar la cantidad de condensados de retorno o recuperados , y determinar la alimentación neta a la caldera.

La alimentación de diseño es de 425 galones por hora , si el retorno de condensados es del 50% , por lo tanto 212.5 galones , la alimentación neta será de 425-212.5 = 212.50 galones por hora. •

Determinar la alimentación total requerida por día

212.50 galones galones por hora , si el sistema opera 16 horas por día , 212.50 X 16 horas = 3400 galones por día. •

Determinar los granos totales de dureza a remover por día

3400 galones por día con una dureza de 20 gpg (granos por galón) será 3400 X 20 = 68,000 granos de dureza se necesita remover al día.


La información lograda en los seis pasos anteriores nos ofrece la cantidad de dureza a remover al día , esto nos ofrece la información básica para poder seleccionar el s uavizador. uavizador. Debido a la natural importanc mpor tanciia de obtener agua suavi su avizada zada c omo alimentación a la caldera , debemos de considerar un margen de error en la selección del suavizador. Este margen es comun el 15% , multiplicando los 68,000 granos por 1.15 la demanda total a remover sera de 78,200 granos por día.

Capacidades promedio del Suavizador En la selección de un suavizador de agua , primero hay que estar familiarizado en cuales son las c apacidades apacidades de un s uavizador uavizador . Obviamente Obviamente los los esfuerzos esfuer zos real r ealiizados para c alcular alcular los granos totales necesarios para suavizar un volumen especifico de agua con una dureza especifica , nos sirven para seleccionar algun suavizador en base a su capacidad . Cuando se revisa la información técnica de un suavizador se observara que la mayoría de ellos siempre vienen especificados a su capacidad máxima de intercambio en granos . En nuestro nues tro ejemplo ejemplo para remover remo ver 78200 granos al día , la la selec seleccc ión no debe de reali realizarse zars e en la capacidad máxima de granos del suavizador , hacer esto tendra como resultado una ineficiente operación en terminos de consumo de sal. La selección debe de realizarse en base a la c apacidad apacidad baja baja o media media de granos del suavi s uavizador zador . Para demostrar demostr ar esto en el ejemplo anterior , vamos a revisar la operación en los tres niveles de capacidad , los tres niveles convencionales para los suavizadores son:

30,000 granos granos por pie3 ie 3 de resina resi na (regene (rege nerand randoo con 15 libras de de sal s al por pie pie33 de resina) resi na) 25,000 granos granos por pie3 ie 3 de resina resi na (regene (rege nerand randoo con 10 libras de de sal s al por pie pie33 de resina) resi na) 20,000 granos granos por pie3 ie 3 de resina resi na (regene (rege nerand randoo con 5 lib li bras de de sal s al por pie pie33 de de resina) resi na) Si nosotros aplicamos mediante una sencilla regla de tres , lo anterior a nuestro ejemplo , podremos observar los benefic benefic ios en forma for ma muy tangibl tangiblee , ademas de observar obs ervar un ahorro real del 50% en el consumo de sal , a continuación le ofrecemos los resultados de nuestro ejemplo , en donde necesitamos remover 78,200 granos por día por lo tanto:

78,200 gpg gpg / 30,000 granos granos pie3 pie 3 = 2.60 pies3 pies 3 X 15 libras de de sal = 39.09 lib li bras de de sal al día 78,200 gpg gpg / 25,000 granos granos pie3 pie 3 = 3.12 pies3 pies 3 X 10 libras de de sal = 31.28 lib li bras de de sal al día 78,200 gpg gpg / 20,000 granos granos pie3 pie 3 = 3.91 pies3 pies 3 X 5 libras de de sal = 19.55 libr li bras as de sal s al al día CD. MÉX MÉXICO: ICO: Tenango #46 #4 6 , La Loma, Loma , Tlalnepantla, EM, 5406 0 C onm (5 ) 56 5 8 876, 87 6, Fax (5) 370 9489 94 89,, econetmx@ econetmx@inf inf osel os el..net.mx MONTERREY: MONTERREY: Físi Físi cos #207 # 207 , Tecnológ Tecnológ ico , Monterrey Monterrey,, NL, 647 00, 00 , Tel Tel (8) 358 7522 75 22,, Fax Fax (8) 387 3 216 21 6 LEON: Madero Madero #3 09, 09 , Centro, Centro, León, G to, 37000 370 00.. Tel Tel (47) 13 1548 15 48 Fax (47) 13 1 548, 54 8, www. www.econex econext.c t.com.mx om.mx

Por lo que recomendamos rec omendamos cada vez que se s e selecc selecc ione un suavizador suavizador , se cons idere que tan eficiente lo queremos diseñar , en nuestro ejemplo si diseñamos en base a 15 libras para regenerar un pie3 de resina , es decir a la capacidad máxima de intercambio , probablemente probablemente selec selec cionemos un equipo equipo mas pequeño pero muy ineficiente neficiente en el consumo de sal , seleccionando en el nivel de 5 libras por pie3 de resina , es decir en su nivel bajo de capacidad lograremos un ahorro del 50% en el consumo de sal. Si la planta opera 365 días al año el ahorro en el cons umo de sal s al será de 39.09 – 19.55 = 19.54 li libras X 365 días = 7132.10 libras por año (3235 kilos) , recordemos que nuestro ejemplo es una caldera pequeña. Es importante mencionar que el empleo de la máxima , media o baja capacidad solamente afecta en el consumo de sal , pero cualquiera de las tres que se seleccione el suavizador elimina totalmente la dureza , esto se hace por el ahorro en la operación y no por la calidad del agua ,siempre sera suavizada.

Frecuencia de Regeneración en el Suavizador Muy a menudo surge la pregunta ; que tan frecuentemente el sistema deberá de regenerarse , aquí es donde entra la la pregunta si un suavi s uavizador zador se debe de regenerar diari diario o o cada varios dias? , El tener una regeneración diario es lo optimo , si queremos regenerar cada dos dias , en nuestro ejemplo necesitaríamos 78,200 granos X dos días = 156,400 lo que nos obligaria a tener el doble de tamaño de equipo por lo tanto una mayor inversión inicial , la única desventaja de regenerar diario es un consumo un poco mayor en agua empleada para la regeneración. Generalmente el poco ahorro de agua de regenerar cada dos días no justifica la inversión mayor. La mayoría de los diseñadores y vendedores de equipos de suavización consideran para la selección una regeneración por día.

Tecnología en diseño y operación Se recomienda para aplicar la tecnología existente y lograr un optimo diseño en la selección del suavizador , emplear sistemas de dos tanques o dúplex , con un control automático automátic o c on operación operac ión en base a demanda de agua , los los equipos trabajan en alternado alternado , es decir uno genera agua suavizada mientras que el otro se encuentra en regeneración o en repozo listo para cuando la unidad que se encuentra en operación entre a regeneración , la unidad en repozo comienza a producir agua suavizada , obteniendo como primer benefic benefic io agua suavi s uavizada zada las las 24 horas del día. CD. MÉX MÉXICO: ICO: Tenango #46 #4 6 , La Loma, Loma , Tlalnepantla, EM, 5406 0 C onm (5 ) 56 5 8 876, 87 6, Fax (5) 370 9489 94 89,, econetmx@ econetmx@inf inf osel os el..net.mx MONTERREY: MONTERREY: Físi Físi cos #207 # 207 , Tecnológ Tecnológ ico , Monterrey Monterrey,, NL, 647 00, 00 , Tel Tel (8) 358 7522 75 22,, Fax Fax (8) 387 3 216 21 6 LEON: Madero Madero #3 09, 09 , Centro, Centro, León, G to, 37000 370 00.. Tel Tel (47) 13 1548 15 48 Fax (47) 13 1 548, 54 8, www. www.econex econext.c t.com.mx om.mx

Otro benefic benefic io importante importante es que para hac hac er nuestra selecc selecc ión , podemos emplear emplear el criterio de una regeneración al día , pero dividiendo la cantidad de resina en los dos tanques , esto hace el equipo el 50% mas pequeño , por que se empleara el 50% de la resina en cada tanque. La tecnología mas avanzada comercial , es el control por demanda , es decir en base a la c apacidad apacidad real del suavizador suavizador y nuestras necesi neces idades que se cal c alcc ularon ularon de granos por día y considerando que el suavizador se regenera una vez por día tenemos una operación adecuada , por lo tanto tenemos un flujo de agua que el suavizador podra producir entre regeneraciones regeneraciones . En muchos muc hos c asos las necesi neces idades de operación de la la caldera caldera son menores en los diferentes días de la semana , recordemos que el cálculo se realizo en base a consumo máximo por día , por ejemplo el domingo se necesita menor cantidad de vapor , el operar en base a un volumen determinado , nos da el beneficio de que la regeneración se realizará cuando el equipo este realmente agotado y no diario , esto en muchos casos tiene un ahorro muy importante de sal y agua.


BIBLIOGRAFÍA 1. The Americ Ame rican an Wate Waterr Works Associa Ass ociation tion , Inc. Water Quality Qu ality and Treatme Treatment nt Third Edition. 2. N.A. Wynhausen Steam Boilers and Water Treatment Water Conditioning Magazine Publication , May 1968 3. University of Wisconsin Survey of Pretreatment Processes for Boiler Feed Water May 1973 4. Betz Betz Handbook of Industrial Water Conditioning Sixth Edition 1962 , Fifth Printing 1972

5. Charles R. Peters Water Treatment for Industrial Boiler Systems Industrial Water Engineering Magazine November/December 1980


,

1 ,

&

DISTRIBUC DIST RIBUCION ION DEL VAPOR

A C I N C E T A I C N E R E F E R E D A I U

Contenido Introducción Distribución del vapor Fundamentos de los sistemas de vapor

2 2 2

Presión de trabajo Determinación de la presión de trabajo Reducción de presión

4 4 6

Dimensionado de tuberías Efectos del sobredimensionado y subdimensionado de tuberías Estándares y espesores de tubería Dimensionado de tuberías según la velocidad del vapor Dimensionado de tuberías según la caída de presión Dime men nsion ona ado de de lín líne eas de de dis disttri rib bució ión n má más la larg rga as y de ma mayor diá diám metr tro o

7 7 8 9 11 12

Líneas de distribución y purga Puntos de purga Golpe de ariete y sus efectos Derivaciones Conexiones de derivaciones Drenaje de derivación Elevación del terreno y purga Separadores de gotas Filtros Método de purga de línea Selección de purgadores Fugas de vapor Resumen

17 18 19 21 22 23 23 24 26 28 29 30 31

Dilatación y soporte de tuberías Dilatación Flexibilidad de la tubería Accesorios de dilatación Distancia entre soportes de tubería

33 33 34 37 40

Eliminación de aire

44

Reducción de pérdidas de calor Cálculo de la transferencia de calor

46 47

Normativas de UK e internacionales

48

Sumario

51

Apéndice 1 – Dimensionado según la capacidad y la caída de presión de las tuberías

52

Información adicional

57

Introducción Distribución del vapor

El sistema de distribución de vapor es un enlace importante entre la fuente generadora del vapor y el usuario. La fuente generadora del vapor puede ser una caldera o una planta de cogeneración. Esta, debe proporcionar vapor de buena calidad en las condiciones de caudal y presión requeridas, y debe realizarlo con las mínimas pérdidas de calor y atenciones de mantenimiento. Esta guía observa la distribución de vapor saturado seco como un transporte de energía calorífica al lugar de utilización, para aplicaciones de intercambio de calor o de calefacción de espacios y cubre los temas relacionados con la puesta en práctica de un sistema eficiente de distribución de vapor.

Fundamentos de los sistemas de vapor

Es imprescindible que desde un principio, se comprenda el circuito de vapor básico, o más bien, el ‘circuito de vapor y condensado’. El flujo de vapor en un circuito es debido a la condensación del vapor, que provoca una caída de presión. Esto induce el flujo del vapor a través de las tuberías. El vapor generado en la caldera debe ser conducido a través de las tuberías hasta el punto en que se requiere esta energía calorífica. Inicialmente habrá una o más tuberías principales que transporten el vapor de la caldera en la dirección de la planta de utilización del vapor. Otras tuberías derivadas de las primeras pueden transportar el vapor a los equipos individuales. Cuando la válvula de salida de la caldera está abierta, el vapor pasa inmediatamente de la caldera a las tuberías principales. La tubería está inicialmente fría y, por tanto, el vapor le transfiere calor. El aire que rodea las tuberías está más frío que el vapor y en consecuencia, la tubería transfiere calor al aire. Como el vapor fluye hacia un medio más frío, comenzará a condensar inmediatamente. En la puesta en marcha del sistema, la cantidad de condensado será la mayor, debido a que el vapor se utiliza para el calentamiento de la tubería fría – a esto se le conoce como ‘carga de puesta en marcha’ -. Cuando la tubería se haya calentado, aún habrá condensación, ya que la tubería seguirá cediendo calor al aire que la rodea – esto se conoce por ‘carga de funcionamiento’ -. El condensado que resulta, va a parar a la parte inferior de la tubería y es arrastrado a lo largo lar go de ésta por el flujo de vapor y por la gravedad, debido al gradiente en la conducción de vapor que normalmente disminuirá en la dirección del flujo de vapor. Deberá entonces purgarse el condensado de los puntos bajos de la tubería de distribución.

Cuando la válvula de la tubería de vapor que alimenta a un equipo de la planta está abierta, el flujo de vapor que proviene del sistema de distribución entra a la planta y de nuevo entra en contacto con superficies más frías. Entonces el vapor cede su energía para calentar el equipo (carga de puesta en marcha) y continúa transfiriendo calor al proceso (carga de funcionamiento) y condensando en agua (condensado). En este momento hay un flujo continuo de vapor desde la caldera para satisfacer la carga conectada y para mantener este suministro deberá generarse más vapor. Para hacerlo, será necesario alimentar la caldera con más combustible y bombear más agua a su interior para reemplazar el agua que ha sido evaporada. El condensado formado tanto en la tubería de distribución como en los equipos de proceso, es agua ya caliente y preparada para la alimentación de la caldera. Aunque es importante evacuar el condensado del espacio del vapor, se trata de un elemento demasiado valioso como para permitirnos desaprovecharlo. El circuito de vapor básico debe completarse con el retorno del condensado al tanque de alimentación de la caldera, siempre que sea factible.

Vapor Recipiente encamisado

Vapor

Condensado

Cuba

Cuba

Agua de alimentación Condensado

Tanque de alimentación

Vapor

Caldera Bomba de alimentación

Fig. 1 Un circuito de vapor típico

Tanque de proceso

Sistema de calefacción

Presión de trabajo Determinación de la presión de trabajo

La presión a la que el vapor debe distribuirse está parcialmente determinada por el equipo de la planta que requiere una mayor presión. Debe recordarse que el vapor perderá una parte de su presión al pasar por la tubería, a causa de la resistencia de la tubería al paso del fluido, y a la condensación por la cesión de calor a la tubería. Deberá tenerse en cuenta este margen a la hora de decidir la presión inicial de distribución. Para resumir estos puntos, cuando seleccione la presión de trabajo, debe tenerse en cuenta lo siguiente: Presión requerida en el punto de utilización. Caída de presión a lo largo de la tubería tuberí a debida a la resistencia al paso del fluido. Pérdidas de calor en la tubería. El vapor a alta presión ocupa menos volumen por kilogramo que el vapor a baja presión. Por tanto, si el vapor se genera en la caldera a una presión muy superior a la requerida por su aplicación, y se distribuye a esta presión superior, el tamaño de las tuberías de distribución será mucho menor para cualquier caudal. La Figura 2 ilustra este punto.

r 20 a b a c i r t é m15 o n a m n ó i s e r 10 P

5

0 0

1

2 Volumen específico - m³/kg

Fig. 2 Vapor saturado seco - relación presión / volumen específico

La generación y distribución de vapor a una presión elevada tendrá las siguientes ventajas: Se requieren tuberías de distribución de vapor de menor diámetro. Al tener una superficie de intercambio menor, las pérdidas de calor (energía) serán menores. Menor coste de las líneas de distribución, en materiales como tuberías, bridas, soportes, y mano de obra. Menor coste del aislamiento. Vapor más seco en el punto de utilización, debido al efecto de aumento de fracción seca que tiene lugar en cualquier reducción de presión. La capacidad de almacenamiento térmico de la caldera aumenta y ayuda a soportar de forma más eficiente las fluctuaciones de carga, reduciendo el riesgo de arrastres de agua y de impurezas con el vapor a condiciones máximas. Si se distribuye a altas presiones, será necesario reducir la presión de vapor en cada zona o punto de utilización del sistema, con el fin de que se ajuste a lo que la aplicación requiere. Al elevar la presión del vapor, los costes serán más altos también, pues ello requiere más combustible. Siempre es prudente comparar los costes que representa elevar la presión del vapor a la máxima presión necesaria (quizás la máxima presión del equipo), con cada uno de los beneficios potenciales mencionados anteriormente. Por ejemplo, si se requiere vapor a sólo 4 bar r, se aconsejará al diseñador que compare las ventajas de generar y distribuir vapor a esta presión respecto a hacerlo a una presión mayor. La evaluación del ciclo de vida efectivo se basará en la comparación entre los gastos e ingresos frente a los beneficios técnicos, relativos al tamaño y el tipo de sistema y factores de utilidad y diversidad. Si está comprobado, en este caso que distribuir vapor a 4 bar r es perfectamente factible, entonces esta es la presión a la que la caldera debería estar especificada para trabajar. Sin embargo, las calderas no suelen hacerse a medida. En este caso sería necesario procurarse una caldera en la banda de presión inmediatamente superior. Puede ser tentador hacer funcionar la caldera a una presión inferior, pero per o debemos entender que puede no ser posible obtener la presión deseada sin detrimento de la calidad del vapor. Se dará con frecuencia el caso de que por razones técnicas sea beneficiosa la distribución del vapor a presiones más altas que la máxima presión requerida. Esta situación requerirá que la presión de vapor se reduzca en el punto de utilización para ajustarse a los requerimientos de los equipos.

Reducción de presión

El método más común de reducir la presión es la utilización de una estación reductora de presión, similar a la que se muestra en la Figura 3. Válvula reductora

Válvula de seguridad

DP17

Separador Vapor

Vapor Filtro

Conjunto de purga

Condensado

Fig. 3 Estación de válvula reductora de presión Antes de la válvula reductora se utiliza un separador para eliminar el agua que arrastra el vapor que entra, permitiendo que sólo el vapor seco saturado pase a través de la válvula reductora. Esto se verá detalladamente más adelante. Si se utiliza una válvula reductora de presión, es apropiado montar una válvula de seguridad aguas abajo para proteger el equipo. Si la válvula reductora fallase, produciéndose un aumento de presión aguas abajo, el equipo resultaría dañado, e incluso podrían ocurrir daños personales. Con una válvula de seguridad instalada, cualquier exceso de presión será descargado a través de la válvula, evitando que se produzcan desperfectos. Otros elementos que constituyen una estación reductora de presión son: La primera válvula de aislamiento - para cerrar el sistema y poder realizar tareas de mantenimiento. El primer manómetro - para ver la presión de alimentación. El filtro - para mantener limpio el sistema. El segundo manómetro - para ajustar y ver la presión aguas abajo. La segunda válvula de aislamiento – para establecer la presión aguas abajo en condiciones sin carga.

Dimensionado de tuberías Existe una tendencia natural cuando se seleccionan los tamaños de tuberías, a guiarse por el tamaño de las conexiones del equipo a las que van a conectarse. Si la tubería se dimensiona de este modo, es posible que no se pueda alcanzar el caudal volumétrico vol umétrico deseado. Para corregir esto y poder dimensionar correctamente la tubería, pueden utilizarse reductores concéntricos y excéntricos.

Vapor

Concéntrico

Vapor

Excéntrico

Fig. 4 Reductores concéntricos y excéntricos Las tuberías se pueden seleccionar basándose en una de las dos características: Velocidad del fluido. Caída de presión. En cada caso es sensato realizar la comprobación utilizando el método alternativo, para asegurar que no se exceden los límites.

Efectos del sobredimensionado y subdimensionado de tuberías

Sobredimensionar las tuberías significa que: Las tuberías serán más caras de lo necesario. Se formará un mayor volumen de condensado a causa de las mayores pérdidas de calor. La calidad de vapor y posterior entrega de calor será más pobre, debida al mayor volumen de condensado que se forma. Los costes de instalación serán mayores. En un ejemplo particular, el coste de instalar una tubería de 80 mm resultó un 44 % más caro que el coste de una de 50 mm, cuya capacidad hubiese sido la adecuada. El calor perdido por la tubería aislada de 80 mm fue un 21 % mayor del que se hubiera perdido en la de 50 mm. Las partes no aisladas hubieran perdido un 50 % más de calor en la línea de 80 mm que en la de 50 mm. Esto se debe a la mayor superficie de transferencia de calor disponible.

Subdimensionar las tuberías significa que: La velocidad del vapor y la caída de presión serán mayores, generando una presión inferior a la que se requiere en el punto de utilización. El volumen de vapor será insuficiente en el punto de utilización. Habrá un mayor riesgo de erosión, golpe de ariete y ruidos,

Estándares y espesores de tubería

Probablemente el estándar de tuberías tuber ías más común sea el derivado del American Petroleum Institute (API), dónde las tuberías se clasifican según el espesor de pared de tubería, llamado Schedule. Estos Schedule están relacionados con la presión nominal de la tubería, y son un total de once, comenzando por 5 y seguido de 10, 20, 30, 40, 4 0, 60, 80, 100, 100 , 120, 140, hasta el Schedule Schedule 160. Para Para tuberías de diámetro nominal 150 mm y menores, el Schedule 40 (denominado a veces 'standard weight'), es el más ligero de los especificados. Sólo los Schedule 40 y 80 cubren la gama completa de medidas nominales desde 15 mm hasta 600 mm y son los Schedule utilizados más comúnmente para instalaciones de tuberías de vapor. Esta guía, se referirá a tuberías del Schedule 80 (denominado también ‘extra strong’). Se pueden obtener las tablas de los Schedule en el BS 1600, que se usa como referencia para la medida nominal de la tubería y el espesor de la misma en milímetros. La tabla 1 muestra un ejemplo de diámetros de distintas medidas de tubería, para distintos Schedule. En Europa las tuberías se fabrican según la norma DIN y se incluye la tubería DIN 2448 en la tabla.

Tabla 1 Tamaño de tubería (mm)

15

20

25

32

40

50

65

80

10 0

125

1 50

Schedule 40

15,8

2 1,0

26,6

35, 1

40 ,9

52 ,5

6 2,7

77,9

1 02, 3

12 8,2

1 54, 1

Diámetro

Schedule 80 80

13,8

1 8,9

24,3

32, 5

38 ,1

49 ,2

5 9,0

73,7

9 7,2

12 2,3

1 46, 4

(mm)

Schedule 160

11,7

1 5,6

20,7

29, 5

34 ,0

42 ,8

53 ,9

66,6

87 ,3

10 9,5

1 31, 8

DIN 2448

17,3

2 2,3

28,5

37 ,2

43 ,1

60 ,3

7 0,3

82,5

1 07, 1

13 1,7

1 59, 3

Ejemplo

Para una tubería de 25 mm de Schedule 80, el diámetro interior es de 24,3 mm. De la misma manera, una tubería de Schedule Schedul e 40 tiene un diámetro interior de 26,6 mm. Las tuberías que se utilizan más usualmente son de acero al carbono (longitud estándar 6m) para distribución de vapor y líneas de condensado. Otro término que se utiliza comúnmente para el espesor de la tubería es: 'Banda azul y Banda roja'. A ellas se refiere el BS 1387, (tubos y tubulares de acero adecuados para roscar con roscas BS 21), y se refiere a calidades particulares de tuberías; la Roja es de acero, utilizada utili zada comúnmente en aplicaciones de conducción de vapor, y la azul se utiliza como calidad media, comúnmente en sistemas de distribución de aire. Las bandas de colores tienen una anchura de 50 mm, y sus posiciones en la tubería denotan su longitud. Los conductos de menos de 4 metros de longitud sólo tienen una banda de color en un extremo, mientras que los conductos de 4 a 7 metros de longitud tienen una banda de color en ambos extremos.

Banda simple Hasta 4 m longitud

Doble banda Entre 4 y 7 m lonitud

Fig. 5 Ubicación de las bandas en la tubería

Dimensionado de tuberías según la velocidad del vapor

Si se dimensiona la tubería en función de la velocidad, entonces los cálculos se basan en el volumen de vapor que se transporta con relación a la sección de la tubería. Para tuberías de distribución de vapor saturado seco, la experiencia demuestra que son razonables las velocidades entre 25 - 40 m/s, pero deben considerarse como el máximo sobre la cual aparecen el ruido y la erosión, particularmente si el vapor es húmedo. Incluso estas velocidades pueden ser altas en cuanto a sus efectos sobre la caída de presión. En líneas de suministro de longitudes considerables, es frecuentemente necesario restringir las velocidades a 15 m/s si se quieren evitar grandes caídas de presión. Utilizando la Tabla 2 (página 13) como guía, es posible seleccionar las medidas de tubería a partir parti r de la presión de vapor, velocidad y caudal. Alternativamente puede calcularse el tamaño de tubería siguiendo el proceso matemático expuesto más abajo. Para hacerlo, necesitamos la siguiente información: Velocidad del flujo (m/s)

C

Volumen específico (m³ /kg) /kg)

v

Caudal másico (kg/s)

m

Caudal volumétrico (m³ /s) /s)

V

●

●

=

●

m(kg/s) x v(m³ /kg) /kg)

A partir de esta información, se puede calcular la sección (A) de la tubería: Caudal volumétrico (V) Sección (A) = Velocidad del flujo (C) ●

●

p. ej.

p

x D2 4

V C

=

Esta fórmula puede arreglarse para despejar el diámetro de la tubería: 4xV D² = p x C ●

\

D

=

Ö

●

4xV p x C

Esto nos dará el diámetro de la tubería en metros. Fácilmente puede pasarse a milímetros multiplicando por 1 000.

Ejemplo

Se quiere dimensionar una tubería para transportar transport ar 5.000 kg/h de vapor saturado seco a 7 bar r, y a una velocidad de 25 m/s. - Velocidad del flujo (C) =

25 m/s

- Volu lum men específ ífiico (v (v)) =

0,24 m³ /kg /kg (de las tablas tablas de vapor) vapor)

●

- Caudal másico (m)

= ●

5 000 kg/h 3 600 s/h

=

1,389 kg/s

●

- Caudal volumétrico (V) =

m x v

=

1,389 kg/s x 0,24 m³ /kg /kg

=

0,333 m³ /s /s

Por lo tanto, utilizando: ●

Sección de tubería (A) p

= Caudal volumétrico (V) Velocidad (C)

x D² 4

=

0,333 25

D

=

Ö 4 xx0,25333 p

D

=

0,130 m ó 130 mm

En la Figura 6 (página 14) se utiliza un método alternativo para el cálculo de tuberías a partir de la velocidad. Este método funcionará funcion ará si se conocen los siguientes datos: presión de vapor, temperatura temper atura (si es recalentado), caudal y velocidad. El ejemplo a continuación ayuda a explicar como funciona este método.

Ejemplo

Como en el ejemplo anterior, se pretende dimensionar una tubería para transportar 5 000 kg/h de vapor saturado seco a 7 bar r y a 170°C. La velocidad del vapor máxima aceptable es de 25 m/s.

El método se ilustra en la Figura 6 de la página 14. Trace una línea lín ea vertical desde 170°C 170°C (punto A) en la escala de temperaturas hasta 7 bar r (punto B) en la escala de presiones. Desde B trace una línea horizontal hasta el caudal de vapor de 5 000 kg/h (punto C). Ahora trace una línea vertical hasta la velocidad de vapor de 25 m/s (punto D). Desde D, trace una línea lí nea horizontal que cruce la escala de diámetro de tubería (punto E). En este caso bastará con una tubería de 130 mm de diámetro.

Dimensionado de tuberías según la caída de presión

A veces es esencial que la presión del vapor que alimenta un determinado equipo no caiga por debajo de un mínimo especificado, con el fin de mantener la temperatura, y de este modo asegurar que los factores de intercambio de calor de la planta mantengan las condiciones de plena carga. En estos casos, es apropiado dimensionar la tubería con el método de la ‘caída de presión’, utilizando la presión conocida en el extremo de alimentación de la tubería y la presión requerida en el punto de utilización. Hay numerosos gráficos, tablas e incluso reglas de cálculo para relacionar la caída de presión con el tamaño de tubería. Un método que ha resultado satisfactorio, es el uso de factores de caída de presión. Un ejemplo de este método aparece en el apéndice al final de esta guía. Un método alternativo más rápido para dimensionar tuberías basándose en la caída de presión, es el uso de la Figura 7 (página 15) si se conocen las siguientes variables: temperatura del vapor, presión, caudal y caída de presión.

Ejemplo

Se pretende dimensionar una tubería para transportar 20 000 kg/h de vapor recalentado a una presión de 15 bar r y 300°C, con una caída de presión de 1 bar/100m.

El método se ilustra en la Figura 7 de la página 15. Trace una línea vertical desde 300°C 300°C (punto A) en la escala de temperatura hasta 15 bar r (punto B) en la escala de presión. Desde B, trace una línea horizontal hasta un caudal de vapor de 20 000 kg/h (punto C). Ahora trace una línea vertical hasta la parte superior del gráfico. Trace una línea horizontal desde 1 bar/100 m en la escala de pérdida de presión (punto D). El punto en que esta línea corta la línea vertical que viene del punto C (punto E), determina el tamaño de tubería que se requiere. En este caso 150 mm.

Dimesionado de tuberías más largas y de mayor diámetro

Estas tuberías se deben dimensionar utilizando el método de la caída de presión. Los cálculos normalmente consideran presiones y caudales mayores y vapor recalentado. El cálculo utiliza una relación de presiones entre la caída de presión total y las presiones de entrada, que se puede utilizar en la Figura 8 (página 16).

Ejemplo

Se quiere dimensionar una tubería para transportar 20 toneladas de vapor por hora a una presión manométrica de 14 bar y a una temperatura de 325°C. La longitud longit ud de la tubería t ubería es de 300 m y la caída de presión admisible en todo el recorrido es de 0,675 bar. Fíjese en que las presiones del gráfico son presiones absolutas y para un ejercicio de este tipo, es suficientemente precisa la aproximación de que 14 bar relativos son 15 bar absolutos. Primero debe encontrarse la relación de presiones: Ra t i o =

Caída de presión Presión de entrada (abs)

=

0,675 15

=

0,045

El método se ilustra en la Figura 8 de la página 16. Desde este punto en la escala de la izquierda, lea horizontalmente hacia la derecha y en la intersección (A) con la curva, lea verticalmente hacia arriba para encontrar la línea de longitud de 300 m (B). En este punto, extienda la línea horizontal hasta el punto C. Ahora trace una línea vertical desde la base, partiendo de la temperatura de 325°C, hasta que corte cor te con la línea lí nea de presión de 15 bar abs (punto D). Trace una línea horizontal hacia la derecha hasta encontrar la línea de 20 toneladas/hora (punto E), y desde este punto trace hacia arriba una línea vertical. El tamaño de tubería se indica donde esta línea corta a la línea B - C, en el punto F. Este, muestra un tamaño de tubería de 200 mm. Este proceso puede también invertirse para encontrar la caída de presión en una tubería de tamaño conocido.

Tabla 2 Capacidades de tuberías para vapor saturado a velocidades específicas (tubería de Schedule 80) Pr es ión bar 0, 4

0, 7

1, 0

2, 0

3, 0

4, 0

5, 0

6, 0

7, 0

8, 0

10,0

14,0

Velocidad m/ s 15mm 15 7 25 10 40 17 15 7 25 12 40 18 15 8 25 12 40 19 15 12 25 19 40 30 15 16 25 26 40 41 15 19 25 30 40 49 15 22 25 36 40 59 15 26 25 43 40 71 15 29 25 49 40 76 15 32 25 54 40 84 15 41 25 66 40 1 04 15 50 25 85 40 1 26

2 0mm 25mm 14 24 25 40 35 64 16 25 25 45 37 68 17 29 26 48 39 71 25 45 43 70 64 1 15 37 60 56 1 00 87 1 57 42 70 63 11 5 1 16 1 97 49 87 81 13 5 1 31 2 25 59 1 05 97 16 2 1 57 2 70 63 1 10 11 4 19 0 1 77 3 03 70 1 26 12 2 20 5 1 92 3 27 95 1 55 1 45 2 57 2 16 4 08 1 21 2 05 1 95 3 31 3 05 5 55

3 2mm 37 62 1 02 40 72 1 06 43 72 1 12 70 1 12 1 78 93 1 52 2 50 1 08 1 80 2 95 1 28 2 11 3 38 1 53 2 53 4 05 1 65 2 88 4 55 1 90 3 20 5 10 2 50 4 05 6 15 3 10 5 20 8 25

kg/h 40mm 50mm 52 99 92 162 14 2 265 59 109 10 0 182 16 7 298 65 112 10 0 193 17 2 311 10 0 182 16 2 295 27 5 475 12 7 245 22 5 425 37 5 595 15 6 281 27 0 4 50 45 6 796 18 7 352 30 8 5 48 49 5 855 22 5 425 37 0 6 58 59 5 1 0 2 5 26 0 445 45 0 7 85 69 0 1 2 1 0 28 5 475 46 5 8 10 73 0 1 3 7 0 37 2 626 56 2 990 91 0 1 6 3 5 46 5 810 74 0 1 3 7 5 1 210 2 195

65mm 1 45 2 65 4 03 1 66 2 87 4 28 1 82 3 00 4 65 2 80 4 28 7 45 3 85 6 32 1 025 4 32 7 42 1 247 5 26 8 85 1 350 6 32 1 065 1 620 7 05 1 205 1 865 8 00 1 260 2 065 1 012 1 530 2 545 1 270 2 080 3 425

80m m 21 3 38 4 57 6 25 0 43 0 63 0 26 0 44 5 64 0 41 0 65 6 1 010 53 5 91 0 1 460 63 5 1 080 1 825 77 0 1 265 1 890 92 5 1 520 2 270 95 2 1 750 2 520 1 125 1 870 3 120 1 465 2 205 3 600 1 870 3 120 4 735

100mm 3 94 6 75 1 037 4 31 7 16 1 108 4 70 7 30 1 150 7 15 1 215 1 895 9 25 1 580 2 540 1 166 1 980 3 120 1 295 2 110 3 510 1 555 2 530 4 210 1 815 3 025 4 585 1 990 3 240 5 135 2 495 3 825 6 230 3 220 5 200 8 510

125mm 150mm 64 8 9 17 97 2 1 4 5 7 1 670 2 303 68 0 1 0 0 6 1 145 1 575 1 712 2 417 69 4 1 0 2 0 1 160 1 660 1 800 2 500 1 125 1 580 1 755 2 520 2 925 4 175 1 505 2 040 2 480 3 440 4 050 5 940 1 685 2 460 2 925 4 225 4 940 7 050 2 105 2 835 3 540 5 150 5 400 7 870 2 525 3 400 4 250 6 175 6 475 9 445 2 765 3 990 4 815 6 900 7 560 10 880 3 025 4 540 5 220 7 120 8 395 12 470 3 995 5 860 6 295 8 995 9 880 14 390 5 215 7 390 8 500 12 560 13 050 18 630

Fig. 6 Gráfico para dimensionar tuberías para vapor saturado y vapor recalentado (método de la velocidad) 600 600 500 50 0 400 40 0 300 300 250 25 0

/ s m o r p a l v e d d 5 a i d 1 0 c o l 2 0 0 V e 3 0 5

D

E

200 200 175 17 5 150 15 0 m 125 12 5 m a

í 100 10 0 r e

0 1 0 5 0 1

80 70 60 50 40

b u t e d o r t e m á i D

30 25 20 15

h / g k r o a p v e l d 1 0 a u d 2 0 0 a C 3 5 0 0 1 0 0 2 0 0 5 0 0 0 C 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 3 0 5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 2 0

Presión de vapor bar r

10

o V a c í o 5 0 % r 0 b a r 5 5 0, 1 2 3 5 7 B 1 0 2 0 3 0 5 0 7 5 1 0 0

A 300 30 0 100 200 400 500 Temperatu Tempe ratura ra de vapor vapo r °C

La línea discontinua A, B, C, D, E, hace referencia al ejemplo de la página 10.

Fig. 7 Gráfico de dimensionado de tuberías de vapor (método de la caída de presión) 18 10 5 3 2

m 0 0 1 1 / r a b 0,5 n ó i s 0,3 e r p 0,2 e d a 0,1 d i d r é P 0,05

0,03 0,05

0 1

D

5 1

0 2 5 2 0 3 0 4 0 E 0 0 5 6 0 0 7 8 m 0 5 m 1 2 0 5 0 a 1 1 í r 0 0 2 5 0 e b 2 0 0 u 3 0 0 t 4 0 0 e 5 0 d 6 r o i r e t n i r o t e m á i D

0,01 Presión de vapor bar r

o V a c í o 5 0 % r 0 b a r ,5 0 5 1 2 3 5 7 1 0

0 1 0 0 0 2 3 5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 2 3 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 1 0 0 h 2 3 0 / 0 0 g 0 0 0 0 5 0 k 0 0 0 0 r 1 0 0 0 o 0 0 p 2 0 0 0 0 a 3 5 0 0 v 0 0 e 1 0 d 2 l a d u C a C

B

2 0 3 0 5 0 7 5 1 0 0

A 300 30 0 100 10 0 200 20 0 400 40 0 Temperatur Tempe ratura a de vapor °C °C

500 50 0

La línea discontinua A, B, C, D, E hace referencial al ejemplo de la página 11.

Figure 8 Gráfico de dimensionado de tuberías para líneas de distribución mayores 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

1 0 0 0 L o n 5 g i 0 0 0 t u 3 0 d 0 0 d 0 e t u 1 5 b e 0 0 r í a m 7 0 0 4 0 0 2 0 0 1 0 0

0,1 0,09 0,08 0,07 0,06

5 0 3 0 1 5

A

0,04 0,03 0,02

1 0 0,01 0,009 0,008 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 s r b a a b r a n b ó i a s d e r a r p t e n d e a n ó d í i a s r C e P = P D

o i t a R

100 10 0

1

5 0

7 0

1 2 5 0 0 0

1 0 0

7 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 5 0 0 3 0 0 1 5 0

B

0,05

4

F

8 10 15 20

C

D

1 5 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 1 0 0 0 1 1 1 2 0

400 40 0 200 200 500 50 0 300 30 0 Temperatura de vapor °C

30

60 6 0

8 0

1 2 5

1 7 5

3 4 6 2 5 5 0 5 0 0 0 0

7 0 2 0 4 0

2

2 0 2 5

6

40

80

150 15 0

b s r b a r a o p a v e a d a d r a n t r e e d ó n e s i ó P r e

3 4 5 6 8 1 0

3 0 0

D i á m e t r o d e 4 5 7 t 0 0 5 u 0 0 0 b e r í a m m

s / m r o p a v e d d a d i c o l e V

h / s a d a l e n o t r o p v a e d c o i s á l m a d u a C = G 5 1 ,

3

1

0 0 0 0 5 0 4 0 2 2 4 6 1 0 7 1 3

E

0 0 0 0 5 5 3 5 8 1 0 0 1 2

La línea discontinua A, B, C, D, E hace

Líneas de distribución y purga En cualquier tubería de vapor, parte del vapor condensará a causa de las pérdidas por radiación. Por ejemplo, una tubería de 100 mm bien aislada, de 30 m de longitud, por la que fluye vapor a 7 bar, rodeada de aire air e a 10°C, 10°C, condensará aproximadamente 16 kg de vapor por hora. Esto representa probablemente menos del 1 % de la capacidad de transporte del conducto, no obstante significa que al cabo de una hora, el conducto tendrá no sólo vapor, sino 16 litros de agua y progresivamente más a medida que pase el tiempo. Por tanto, debe preverse la purga del condensado. Si esto no se realiza de forma efectiva, aparecerán problemas de corrosión y golpe de ariete, que se verán más adelante. Además, el vapor se volverá húmedo, pues éste recoge gotitas de agua, reduciendo así su potencial de transferencia de calor. Bajo condiciones, extremas si se permite la acumulación de agua, la sección de tubería disponible para el paso del vapor se ve reducida, de manera que la velocidad del vapor superará los límites recomendados. Siempre que sea posible, la tubería de distribución debe montarse con un descenso no inferior a 40 mm cada 10 m, en la dirección del flujo. Hay una buena razón para ello. Si la tubería asciende en la dirección del flujo, el condensado tratará de volver hacia abajo. Pero el flujo de vapor en sentido contrario, que puede ir a una velocidad de hasta 80 km/h, barrería el agua hacia arriba. Esto haría extremadamente difícil la recogida del agua y su evacuación. Es más, esto facilitaría que el agua se mezclase con el vapor produciendo vapor húmedo y que hubiese golpes de ariete. Montando la tubería con un descenso en la dirección del flujo, tanto el vapor como el condensado, irán en la misma dirección y se pueden colocar puntos de purga en la línea para recoger y evacuar el agua.

Puntos de purga

Las ventajas de elegir el tipo de purgador más apropiado para una determinada aplicación será en vano si el condensado no puede encontrar fácilmente el camino hacia el purgador. Por esta razón debe considerarse cuidadosamente el tamaño y la situación sit uación del punto de purga. Debe considerarse también qué le ocurre al condensado en una tubería de vapor cuando se produce una parada y todo el flujo cesa. Este circulará en la dirección descendente de la tubería por efecto de la fuerza de la gravedad, y se acumulará en los puntos bajos del sistema. Los purgadores deberán, por tanto, montarse en esos puntos bajos. En cualquier caso, la cantidad de condensado que se forma en una línea de gran tamaño bajo condiciones de puesta en marcha, es suficiente para hacer necesaria la instalación de puntos de purga cada 30 m a 50 m, así como en los lo s puntos bajos del sistema. Durante el funcionamiento normal, el vapor puede fluir por las tuberías de distribución a velocidades de hasta 145 km/h, arrastrando condensado con él. La Figura 9 muestra una tubería de 15 mm que conecta la parte inferior de una línea de vapor con el purgador. Aunque la tubería de 15 mm tiene una capacidad suficiente, es poco probable que recoja gran parte del condensado que fluye a gran velocidad por la tubería de distribución. Tal disposición no resultaría efectiva. En la Figura 10 se muestra una solución más fiable para evacuar el condensado. Se monta una conexión ‘T’ (el mismo diámetro hasta 150 mm, y un diámetro inmediatamente inferior en tamaños mayores) en la tubería que actúa como un pozo de goteo. Todo el condensado caerá al pozo y recorrerá el camino por la tubería de 15 mm hasta el purgador. Este pozo de goteo es tan importante en el sistema de purga como el purgador mismo. Observe que la boca de entrada al purgador se coloca usualmente 25/30 mm por encima del fondo del pozo para evitar que la suciedad de las tuberías pase al purgador. La parte inferior del pozo es normalmente desmontable, desmontable, lo que permite que se pueda quitar la tapa inferior durante una parada para eliminar la suciedad acumulada.

Purgador

Fig. 9 Incorrecto

Pozo de goteo

Fig. 10 Correcto

Purgador

Golpe de ariete y sus efectos

El golpe de ariete se produce cuando el condensado en lugar de ser purgado en los puntos bajos del sistema, es arrastrado por el vapor a lo largo de la tubería, y se detiene bruscamente al impactar contra algún obstáculo del sistema. Las gotitas de condensado acumuladas a lo largo de la tubería, como se muestra en la Figura 11, con el tiempo forman una bolsa ‘sólida’ de agua que será arrastrada por la tubería a la velocidad del vapor. Estas velocidades pueden ser de 30 km/h o más. Esta bolsa de agua es densa e incompresible y, cuando viaja a una velocidad elevada, tiene una energía cinética considerable.

Vapor

Vapor

Vapor

Fig. 11 La formación de una bolsa ‘sólida’ de agua Cuando se obstruye su paso, a causa de una ‘T’ en la tubería o una curva, la energía cinética cinéti ca se convierte en un golpe de presión que aplicado contra el obstáculo. (Las leyes de la termodinámica establecen que la energía ni se crea ni se destruye, se transforma). Normalmente se produce un ruido de golpe, que puede ir acompañado del movimiento de la tubería. En casos serios, los accesorios pueden incluso romperse con un efecto casi explosivo, con la consecuente pérdida de vapor vivo en la rotura, creando una situación peligrosa. Afortunadamente, el golpe de ariete se puede evitar si se toman las medidas oportunas para que no se acumule el condensado en la tubería.

Evitar el golpe de ariete es una alternativa mejor que intentar contenerlo eligiendo excelentes materiales, y limitando la presión de los equipos. Las fuentes de problemas de golpe de ariete suelen estar en los puntos bajos de la tubería (véase la Figura 12). Tales áreas son: Pandeos en la línea. Uso incorrecto de reductores concéntricos y filtros. Por este motivo, en las líneas de vapor es preferible preferibl e montar filtros con la cesta horizontal.

Vapor

Vapor

Vapor

Fig. 12 Fuentes potenciales de problemas de golpe de ariete. Resumidamente, para minimizar las posibilidades de golpe de ariete: Las líneas de vapor deben montarse con una inclinación descendente en la dirección del flujo, con puntos de purga instalados a intervalos regulares y en los puntos bajos. Deben montarse válvulas de retención después de los purgadores, ya que de otro modo se permitiría que el condensado se introdujera de nuevo en la línea de vapor o la planta durante las paradas. Las válvulas de aislamiento deben abrirse lentamente para permitir que el condensado que haya en el sistema pueda fluir sin brusquedades hacia, y a través de los purgadores, antes de que el vapor a gran velocidad lo arrastre. Esto es especialmente importante en la puesta en marcha.

Tubería de distribució distribución n

Vapor

Vapor

Drivación

Vapor

Fig. 13 Derivaciones

Derivaciones

Es importante recordar que las derivaciones son normalmente mucho más cortas que las líneas de distribución principales. El dimensionado de las derivaciones basándose en una caída de presión dada es, en consecuencia, menos recomendable en tuberías de poca longitud. Con una tubería principal de 250 m de longitud, una caída de presión limitada a 0,5 bar puede ser perfectamente válida, aunque conduzca a adoptar velocidades inferiores a las esperadas. En un ramal de 5 m o 10 m de longitud, la misma velocidad llevaría a valores de sólo 0,01 o 0,02 bar. Son claramente insignificantes, y usualmente las tuberías de las derivaciones se dimensionan para velocidades de vapor mayores. Esto creará una mayor caída de presión, pero con una longitud de tubería más corta, esta caída de presión es aceptable. Los tamaños de tubería suelen elegirse de una tabla, como la tabla de ‘Capacidades de tubería a velocidades específicas’ (Tabla 2). Cuando se utilizan velocidades de vapor de 25 a 35 m/s en derivaciones cortas a equipos, se observa que el nivel de caída de presión por unidad de longitud puede ser relativamente alto. Se puede crear una gran caída de presión si la tubería cuenta con diversos accesorios, tales como conexiones y codos. En derivaciones de mayor longitud debe limitarse la velocidad a 15 m/s a no ser que se calcule también la caída de presión.

Conexiones de derivaciones

Las derivaciones transportarán el vapor más seco siempre que las conexiones tomen el vapor de la parte superior de la tubería principal. Si la toma es lateral, o peor aún, de la parte inferior como en la Figura 14, transportarán el condensado, comportándose como un pozo de goteo. El resultado de esto es un vapor muy húmedo que llega a los equipos. La válvula de la Figura 15 debe instalarse tan cerca como sea posible de la derivación para evitar que el condensado se deposite en el ramal si se producen largas paradas del sistema.

Vapor

Fig. 14 Incorrecto

Vapor

Fig. 15 Correcto

Drenaje de derivación

En las derivaciones a equipos también hay puntos bajos. Lo más común es un punto de purga cerca de una válvula de aislamiento o una válvula de control. El condensado se acumula delante de la válvula cerrada, y se introduciría con el vapor cuando la válvula se abriera de nuevo - consecuentemente es necesario un punto de purga con un purgador en ese lugar.

Vapor

Vapor Tubería de distribució distribución n

Drenaje de derivación Válvula de control Válvula de aislamiento Conjunto de purga

Válvula de aislamiento

Condensado

Fig. 16 Diagrama de drenaje de una derivación

Elevación del terreno y purga

No es raro que una línea de distribución discurra por un terreno con inclinación ascendente y no sea posible mantener el nivel de la tubería, con lo que el condensado se ve inducido a correr hacia abajo a contracorriente del vapor. Es prudente asegurarse de que el tamaño de la tubería es suficiente, en el tramo ascendente, para no reducir la velocidad a menos de 15 m/s. Asimismo la distancia entre puntos de purga debe reducirse a no más de 15 m. El objetivo es evitar la película de condensado en la parte inferior de la tubería, que iría aumentando en espesor hasta el punto que el vapor arrastraría gotitas de condensado (exactamente como en el caso común en que la gravedad y el flujo de vapor actúan en la misma dirección). Vapor

Vapor Condensado Conjunto de purga Terreno ascendente

Fig. 17 Diagrama de tubería en terreno ascendente

Separadores de gotas

Las calderas de vapor compactas modernas tienen ti enen unas grandes prestaciones con relación a su tamaño y carecen de capacidad de reserva para absorber condiciones de sobrecarga. Un tratamiento químico incorrecto del agua de alimentación, mal control de TDS o picos de carga pueden provocar serios problemas de arrastre de agua e impurezas impur ezas del agua de caldera a las tuberías de distribución. En la Figura 19 se muestra el uso de un separador de gotas para evacuar esta agua. Su elección es sencilla mediante un gráfico de dimensionado. Véase la Figura 18.

h / g k r o p a v e d l a d u a C

l r e o d d o a ñ r a a p m e a s T

DN150 DN125

10 0 0 00 0

DN100 5 0 0 00 0

DN80 DN65 DN50 DN40

2 0 0 00 0 1 0 0 00 0

B

D

DN32 DN25

5 0 0 0 0

DN20 DN15

2 0 0 0 0 10 0 0 1 0

5 0 0

2 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 1 2

A 16

18

20 2 2 2 4 2 5 5

,0 0 2 0 0

10 1 5 20 2 5 3 0

, 0 1 0 0 , 0 2 0 0 ,0 5 0 0

35 4 0

Velocidad del flujo, m/s

Presión de vapor bar r

F

E , 1 0 1 0, 2

Caída de presión en el separador, bar

Fig. 18 Gráfico de dimensionado del separador

C

Ejemplo de dimensionado de un separador

Determínese el tamaño de un separador para un caudal de 500 kg/h a una presión de 13 bar r. 1. Trace una línea línea que una la presión presión con el caudal, caudal, A - B. 2. Trac Trace e la línea línea horizont horizontal al B - C. 3. Cualquie Cualquierr curva de separador separador que corta corta la línea B – C dentro del área sombreada operará cerca del 100 % de rendimiento. 4. Adiciona Adicionalmente, lmente, la línea línea de velocidad velocidad para cualquier cualquier tamaño tamaño puede determinarse trazando una línea vertical D - E (p. ej. 18 m/s para una unidad DN32). 5. También puede puede determinarse determinarse la caída caída de presión presión trazando trazando las líneas E - F y A - F. El punto de intersección intersección es la caída de presión a través del separador, p. ej. : aproximadamente 0,037 bar. Los separadores deben seleccionarse basándose en el mejor compromiso entre el tamaño de la línea, velocidad y caída de presión para cada aplicación. Tan pronto como el vapor sale de la caldera, parte de éste condensa para reponer el calor perdido a través de la pared de la tubería. El aislamiento reducirá naturalmente las pérdidas de calor, pero el flujo de calor y el grado de condensación disminuyen hasta cierta cantidad límite, y si no se toman acciones apropiadas, estas cantidades se acumularán. El condensado formará gotitas en la pared interior de la tubería, que se unirán formando una película al ser barridas por el flujo de vapor.

Vapor húmedo

Vapor seco

Condensado al purgador

Fig. 19 Sección típica de un separador

El agua también irá a parar a la parte inferior de la tubería por efecto de la gravedad, y por lo tanto, el espesor de la película será mayor allí. Al pasar el vapor sobre la película de agua, se pueden levantar ondulaciones que lleguen a formar olas. Si esta acumulación continúa, las crestas de las olas se romperán, lanzando gotas de condensado sobre el flujo de vapor. El resultado es que el equipo de intercambio de calor recibe un vapor muy húmedo, que reduce el rendimiento de transmisión de calor y la vida útil de las válvulas de control. Cualquier cosa que reduzca la propensión al vapor húmedo en líneas principales o derivaciones será beneficiosa. Un separador evacuará tanto las gotitas de agua de las paredes de la tubería como la humedad suspendida en el vapor. La presencia y efecto del golpe de ariete puede erradicarse montando un separador en la tubería principal de vapor y con frecuencia será una alternativa más económica que alterar la tubería para vencer este fenómeno.

Filtros

Cuando se instala una tubería nueva, no es raro que queden fragmentos de arena de fundición, del del embalaje, del ensamblado, virutas, varillas de soldar, e incluso tornillos o tuercas que hayan quedado dentro. En el caso de tuberías viejas, habrá óxido y en zonas de aguas duras, depósitos de carbonatos. De vez en cuando, algunas partes se romperán, soltarán y pasarán a la tubería con el vapor, para acabar en el interior de algún equipo, pudiendo atascarlo, dejándolo abierto o cerrado. Los equipos de vapor pueden también sufrir daños permanentes al rayarse – acción cortante del vapor y el agua pasando a gran velocidad a través de una válvula parcialmente abierta. Cuando una válvula se ha rayado, no volverá a procurar un cierre estanco, aunque se elimine la suciedad de ella. Por lo tanto, es sensato montar un simple filtro en la tubería delante de cada purgador, aparato de medida, válvula reductora y válvula de control. El diagrama de la Figura 20 muestra la sección de un filtro típico.

A

C

B

D Fig. 20 Sección de un filtro El vapor fluye desde la entrada ‘A’, a través del tamiz perforado ‘B’ hacia la salida ‘C’. Mientras que el vapor y el agua pasarán con facilidad a través del tamiz, la suciedad quedará retenida. Se puede quitar el tapón ‘D’, para retirar el tamiz y limpiarlo regularmente. También es posible montar una válvula de purga en el tapón ‘D’ para facilitar una limpieza regular. Los filtros, sin embargo, pueden ser una fuente de problemas de golpe de ariete como se mencionó anteriormente. Para evitar esto, cuando forman parte de una línea de vapor, los filtros deben montarse con la cesta en posición horizontal.

Método de purga de línea

La utilización de purgadores es el método más eficaz de drenar el condensado de un sistema de distribución de vapor. Los purgadores usados para drenar la línea deben ser adecuados para el sistema, y tener la capacidad suficiente para evacuar la cantidad de condensado que llegue a ellos, con las presiones diferenciales presentes en cualquier momento. El primer requerimiento es fácil de tratar; la presión máxima de trabajo en el purgador puede ser conocida, o encontrarla fácilmente. El segundo requerimiento, la cantidad canti dad de condensado que llega al purgador bajo condiciones de trabajo, cuando sólo las pérdidas de calor en la línea provocan la condensación del vapor, se puede calcular, o encontrarlo en la Tabla 3 (página 32) con una precisión aceptable. Debe recordarse que los purgadores que purgan el colector de caldera, pueden ser necesarios para descargar el agua arrastrada con el vapor desde la caldera. Una capacidad total de hasta el 10% de la capacidad nominal de la caldera es razonable. En el caso de los purgadores montados a lo largo de la tubería, la Tabla 3 de la página 32, muestra que si los puntos de purga no están más alejados de 50 m, como se recomienda, normalmente será suficiente con la capacidad de un purgador de baja capacidad de 15 mm, para evacuar las cargas de condensado. Sólo en aplicaciones poco comunes, de muy altas presiones (por encima de 70 bar), combinadas con tuberías de gran tamaño, serán necesarios purgadores de mayor capacidad. Cuando las líneas de vapor se paran y se ponen en marcha con frecuencia deberá prestarse más atención. Las cantidades de condensado que se forman mientras las tuberías se calientan hasta la temperatura de trabajo, están listadas también en la Tabla 3 de la página 32. Como se trata de masas de vapor más que de caudales de vapor, también debe tenerse en cuenta el tiempo que lleva el proceso de calentamiento. Por ejemplo, si una tubería alcanza la presión de trabajo en 20 minutos, entonces el flujo por hora será 60/20, 60/ 20, ó 3 veces la carga que indica la tabla. Durante la primera parte del proceso de calentamiento, la l a velocidad de condensación será al menos igual a la velocidad media. No obstante, la presión en la tubería sólo será ligeramente superior a la presión atmosférica, quizás en 0,05 bar. Ello significa que la capacidad del purgador se verá consecuentemente reducida. En esos casos, en que las cargas de puesta en marcha son frecuentes, un purgador DN15 con capacidad normal será una mejor elección. Lo expuesto pone también de relieve otra de las ventajas de los pozos de goteo de gran tamaño, que durante la puesta en marcha pueden albergar el condensado mientras la presión de vapor no

Selección de purgadores

La especificación de un purgador para una línea de distribución debe considerar ciertos aspectos. El purgador debe descargar a, o muy cerca de, la temperatura de saturación, a no ser que la tubería de enfriamiento sea larga entre el punto de purga y el purgador. Esto significa que a menudo la elección está entre purgadores mecánicos, como los de boya o de cubeta invertida y los purgadores termodinámicos. Cuando las tuberías discurren por el exterior de edificios y existe la posibilidad de que las heladas causen daños, el purgador termodinámico es preeminente. Incluso si la instalación es tal que deja agua en el purgador cuando se para la línea y se produce una helada, el purgador termodinámico se descongela sin sufrir daños cuando se vuelve a poner en marcha la instalación. Históricamente, en instalaciones de diseño pobre, donde el golpe de ariete podía ser frecuente, los purgadores de boya podían no ser ideales a causa de la susceptibilidad del flotador a ser dañado. Sin embargo, los diseños y las técnicas de fabricación contemporáneos, producen unidades extremamente robustas para la purga de líneas. Los purgadores de boya son la primera elección para utilizar con separadores. Las altas capacidades que alcanzan fácilmente y su respuesta casi inmediata a los aumentos rápidos de caudal, son características muy apreciadas. Los purgadores termodinámicos son también adecuados para purgar líneas de gran diámetro y longitud, especialmente cuando el servicio es continuo. Los daños causados por las heladas son, en consecuencia, menos probables. En la Figura 21 se muestran los purgadores que se utilizan típicamente para purgar el condensado de las líneas de distribución. El tema de la purga de vapor se trata más detalladamente en la guía de referencia técnica ‘Purga de Vapor y Eliminación de Aire’.

De boya

Termodinámico

Termostático

De cubeta invertida

Fig. 21 Purgadores

Fugas de vapor

Las fugas de vapor son también ignoradas a menudo. Sin embargo, las fugas pueden tener un alto coste tanto en sentido económico como ambiental y por lo tanto, requieren de pronta atención para asegurar que el sistema de vapor trabaje con un rendimiento óptimo y un mínimo impacto ambiental. Por ejemplo, por cada litro de fuel-oil muy viscoso quemado innecesariamente para compensar las fugas de vapor, se emiten aproximadamente 3 kg de dióxido de carbono a la atmósfera. La Figura 22 ilustra la pérdida de vapor para diversos tamaños de orificio y esta pérdida puede ser fácilmente traducida en ahorro anual, basándola en 8 400 ó 2 000 horas de funcionamiento al año.

Tamaño del orificio h / 1 000 g k a 50 0 g 500 u 400 40 0 f e 30 300 0 d a 20 0 s 200 a T

12,5 mm 10 mm 7,5 mm

100 10 0

5 mm

50 40 30 20

3 mm

10 5 4 3 1 2 3 4 5 10 14 Presión de vapor bar (x 100 = kPa)

Fig.. 22 Pérdi Fig Pérdida das s de va vapo porr por fugas

Resumen

Carbón Fuel-oil muy viscoso Toneladas/año x 1000 litros/año 1 000 500 50 0 200 20 0 100 10 0 400 40 0 300 30 0 500 50 0 100 10 0 400 40 0 50 200 20 0 300 30 0 40 30 50 200 20 0 100 10 0 40 20 30 100 10 0 50 20 10 40 30 50 10 40 5 20 30 4 3 5 20 10 4 2 3 10 2 5 1 4 3 5 1 4 0,5 2 8 400 2 000 8 400 2 000 Horas por año Horas por día

Gas x 1 000 kWh/año 5 000 4 000 3 000 2 000 1 000 500 500 400 40 0 300 30 0 200 20 0 100 10 0 50 40 30

1 000 500 500 400 40 0 300 30 0 200 20 0 100 10 0 50 40 30 20 10

5 20 8 400 2 000 Horas por año

24 horas al día, 7 días por semana, 50 semanas por año = 8 400 horas 8 horas al día, 5 días por semana, 50 semanas por año = 2 000 horas

Para resumir esta sección, una debida alineación de las tuberías y purga significa observar estas simples reglas: Deben instalarse las tuberías de manera que desciendan en la dirección del flujo, con una pendiente no inferior a 40 mm por cada 10 m de tubería. Las líneas de vapor deben purgarse a intervalos regulares de 30 - 50 m, así como en cualquier punto bajo del sistema. Para instalar un punto de purga en un tramo recto de tubería, deberá utilizarse un pozo de goteo de gran tamaño, que pueda recoger el condensado. La tubería debe montarse de manera que haya el mínimo de puntos bajos donde se pueda acumular el agua. Si se montan filtros, deben montarse con la cesta en posición horizontal. Las conexiones de las derivaciones deben partir de la parte superior de la línea, para tomar el vapor más seco posible. Debe considerarse la instalación de un separador antes de cualquier equipo que utilice el vapor, para asegurar que recibe vapor seco. Los purgadores elegidos deben ser robustos para evitar el riesgo de daños por golpe de ariete, y ser apropiados para su entorno (p. ej. heladas).

Tabla 3 Cargas de calentam calentamiento iento / funciona funcionamiento miento para para líneas de vapor vapor de 50 m Cargas de calentamiento para líneas de vapor de 50 m (kg/m) Presión de vapor bar r 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20 25 30 40 50 60 70 80 90 10 0 12 0

Diámetros - mm 50 5 6 7 8 8 9 9 9 10 10 10 11 12 17 17 19 21 22 24 27 29 32 34 35 42

65 9 10 11 12 13 13 14 14 15 16 17 17 19 23 26 29 32 34 37 41 44 49 51 54 64

80 11 13 14 16 17 18 18 19 20 20 22 23 24 31 35 39 41 46 50 54 59 65 69 72 86

10 0 16 19 20 22 24 25 26 27 28 29 31 32 35 45 51 56 62 67 73 79 86 95 1 00 1 06 1 26

1 25 22 25 25 30 33 34 35 37 38 40 42 44 47 62 71 78 86 93 10 1 13 5 1 56 1 72 1 81 1 90 2 27

1 50 28 33 36 39 42 43 45 47 50 51 54 57 61 84 97 1 08 1 17 1 27 1 39 1 81 2 08 2 32 2 45 2 57 3 05

200 44 49 54 59 63 66 68 71 74 77 84 85 91 1 27 1 48 1 64 1 79 1 94 21 2 30 5 3 46 3 86 4 09 4 27 5 08

25 0 30 0 3 50 60 79 94 69 92 10 8 79 10 1 12 0 83 11 0 13 1 70 11 9 14 2 93 12 4 14 7 97 12 8 15 1 1 01 13 4 15 8 1 05 13 9 1 64 1 09 14 4 17 1 1 15 15 2 18 0 1 20 16 0 18 9 1 28 17 2 20 3 1 87 35 5 30 5 2 20 30 2 36 2 2 43 33 3 40 0 2 65 36 4 43 7 2 87 39 5 47 3 21 4 4 32 51 8 44 5 6 26 75 2 5 10 7 17 8 61 5 68 8 00 9 60 5 98 842 1 011 6 28 884 1 062 748 1 052 1 265

400 12 3 14 2 15 6 17 0 18 5 19 8 19 7 20 7 2 16 22 4 23 6 24 7 26 5 39 3 46 5 53 3 57 1 60 8 6 65 9 60 1 100 1 220 1 288 1 355 1 610

450 1 55 17 9 1 97 2 15 2 33 2 42 2 50 2 61 2 72 2 82 2 98 3 11 3 34 4 92 5 82 6 42 7 02 7 62 83 4 1 218 1 396 1 550 1 635 1 720 2 050

40 0 28 32 37 42 46 49 52 57 60 62 67 73 78 82 86 97 1 08 13 0 1 51 1 77 19 8 23 4 2 65 27 7 35 2

4 50 31 35 40 46 49 53 56 61 64 67 73 79 85 90 94 10 6 11 8 14 2 1 65 1 99 22 2 26 3 28 7 3 11 39 5

Fact or corrección 50 0 600 -18°C 1 82 2 54 1 , 39 21 0 29 6 1,35 2 32 3 24 1 , 32 2 54 3 53 1 , 29 2 75 3 82 1 , 28 2 85 3 96 1 , 27 2 94 4 10 1 , 26 3 07 4 28 1, 25 3 20 4 36 1 , 24 3 32 4 63 1, 24 3 50 4 88 1, 23 3 66 5 10 1, 22 3 93 5 48 1, 21 5 96 7 08 1, 21 7 12 8 06 1, 20 7 86 9 78 1, 19 859 1 150 1, 18 834 1 322 1, 16 1 020 1 450 1, 15 1 480 2 140 1, 15 1 694 2 455 1, 1 5 1 890 2 730 1, 1 4 1 990 2 880 1, 14 2 690 3 030 1 , 14 2 490 3 600 1, 1 3

Cargas de funcionamiento para líneas de vapor de 50 m (kg/m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20 25 30 40 50 60 70 80 90 10 0 12 0

50 5 5 6 7 7 8 8 9 9 10 11 12 12 14 15 15 17 20 24 27 29 34 38 41 52

65 5 6 7 9 9 10 10 11 11 12 13 14 15 16 17 19 21 25 29 32 35 42 46 50 63

80 7 8 9 10 11 11 12 14 14 15 16 17 18 19 21 23 25 30 34 39 43 51 56 61 77

100 9 10 11 12 13 14 15 16 17 17 18 20 23 24 25 28 31 38 44 50 56 66 72 78 99

125 10 12 14 16 17 18 19 20 21 21 23 26 29 30 31 35 39 46 54 62 70 81 89 96 122

15 0 13 14 16 18 20 21 23 24 25 25 26 30 34 36 37 42 47 56 65 74 82 97 1 06 11 4 1 45

2 00 16 18 20 23 24 26 28 30 32 33 36 39 42 44 46 52 51 70 82 95 1 06 1 26 1 34 14 9 18 9

2 50 19 22 25 28 30 33 35 37 39 41 45 49 52 55 58 66 73 87 1 02 1 19 1 33 1 56 17 1 1 86 23 6

300 23 26 30 33 36 39 42 44 47 49 53 58 62 66 69 78 87 10 4 12 1 14 0 15 7 18 7 20 4 2 20 2 80

35 0 25 28 32 37 40 43 46 49 52 54 59 64 68 72 76 86 96 1 14 1 33 1 55 1 73 2 05 2 24 24 2 3 08

5 00 35 39 45 51 55 59 63 68 72 75 81 93 95 10 0 10 5 1 19 1 32 1 58 18 4 22 2 24 8 29 3 32 0 3 47 4 40

60 0 41 46 54 61 66 71 76 82 88 90 97 1 06 1 14 1 20 1 25 14 1 15 7 18 9 2 20 2 65 2 96 3 50 2 84 41 6 5 27

1 ,5 4 1,50 1,48 1 ,4 5 1 ,4 3 1,42 1,41 1,40 1,39 1 ,3 8 1 ,3 8 1,37 1,36 1,36 1,35 1,34 1,33 1,31 1 ,2 9 1 ,2 8 1,27 1,26 1,26 1 ,2 5 1,22

Dilatación y soporte de tuberías Dilatación

Las tuberías siempre se instalan a temperatura ambiente. Cuando transportan fluidos calientes, como agua o vapor, funcionan a temperaturas superiores y por lo tanto, se expanden, especialmente en longitud, al pasar de temperatura ambiente a la temperatura de trabajo. Esto creará tensiones en ciertas zonas del sistema de distribución, como las juntas de las tuberías, que pueden llegar a romperse. La dilatación puede calcularse mediante la siguiente ecuación, o encontrarse en los gráficos adecuados. Dilatación

=

L x Dt x a (mm)

D ó n de : L

= = =

Longitud de de tubería en entre an anclajes (m (m) Difer Dif erenc encia ia de tem tempe perat ratura ura °C Coefi Co efici cien ente te de dila dilatac tación ión (mm (mm/m° /m°C) x 10 10-³

Dt a

Tabla 4 Coeficientes de dilatación (a) Material

Rango de temper t emperatura atura °C °C 0 - 100 0 - 200 0 - 315 0 - 400 0 - 485 0 - 600 0 - 700

<0

Acero suave 0,1-0,2 % C

12,8

14,0

15,0

15,6

16,2

17,8

17,5

-

Acero aleado 1 % Cr 0,5 % Mo

13,8

14,4

15,1

15,8

16,6

17,3

17,6

-

9,4

20,0

20,9

21,2

21,8

22,3

22,7

23,0

Acero inoxidable 18 % Cr 8 % Ni

Ejemplo

Encuentre la dilatación de 30 m de tubería al pasar de temperatura ambiente (10°C) a 152°C (vapor a 4 bar) L = 30 m D t = 152 152° °C - 10°C = 142° 142°C a = 15,0 x 10 ³ mm/m°C \

Dilatación = 30 x 142 x 15,0 x 10-³ mm

por tanto, dilatación

=

64 mm

Alternativamente, se puede determinar la dilatación de la tubería mediante la Tabla 6 (página 41) para el cálculo de dilatación en 10 m de tubería de distintos materiales. Los gráficos como el de la Figura 34 (página 42) son también un método fácil para determinar la dilatación.

Flexibilidad de la tubería

La tubería debe ser suficientemente flexible para adaptarse a los movimientos de los componentes al calentarse. En la mayoría de los casos la tubería tiene suficiente flexibilidad natural, gracias a unas longitudes razonables y a la cantidad de curvas. En otras instalaciones, será necesario incorporar medios para lograr la flexibilidad necesaria. Cuando el condensado de una línea de transporte es drenado por el purgador a una línea de retorno que discurre paralela a la línea de vapor, debe tenerse en cuenta la diferencia de dilataciones. Esta diferencia es debida al cambio de temperaturas o al índice de dilatación del material de las tuberías. La línea de vapor estará a una temperatura mucho más alta que la de retorno de condensado y los dos puntos de conexión tendrán un movimiento relativo durante el calentamiento del sistema. Deberá aportarse algo de flexibilidad a la conducción del purgador para que las conexiones del ramal no sufran tensiones excesivas. (Véase la Figura 23).

Vapor

Tubería de distribución de vapor

Vapor

Condensado Tubería de retorno de condensado

Fig. 23 Flexibilidad en la conexión a la línea de retorno de condensado La magnitud del movimiento que deberá soportar la tubería y cualquier elemento incorporado, puede reducirse mediante el ‘estirado en frío’. Primeramente se calcula la dilatación total para cada una de las secciones entre los puntos de anclaje fijo. La tubería se deja tanto más corta como la mitad de esta dilatación total, y se estira en frío, con tornillos tensores aplicados sobre la brida de una junta, de manera que a temperatura ambiente, la tubería quede sometida a esfuerzos en una dirección. Cuando se caliente el sistema hasta la mitad de la temperatura, la tubería no soportará esfuerzos. A la temperatura de trabajo y habiéndose dilatado completamente, la tubería soportará esfuerzos en la dirección opuesta. La diferencia es que en lugar de variar la tensión entre 0 F y + 1 F unidades de fuerza, la tensión en la

En la práctica, la tubería se monta con un espaciador, de longitud igual a la mitad de la dilatación entre dos bridas. Cuando la tubería está del todo instalada y anclada, se desmonta el espaciador y se aprieta bien la conexión (véase la Figura 24).

L

Posición después del ‘estirado en frío’ Posición neutral

Espaciador

Posición con la tubería caliente Mitad de la dilatación calculada para la longitud total

Fig. 24 Uso del separador de dilatación cuando la tubería está instalada. Si la parte restante de la dilatación no es absorbida por la flexibilidad natural de la tubería, pedirá la utilización de un accesorio de expansión. La dilatación y el soporte de las tuberías en la práctica, puede clasificarse en las tres áreas siguientes como se muestra a continuación en la Figura 25.

Punto A Fijo

Punto B Apoyo deslizante

Punto C Accesorio de expansión

Punto B Apoyo deslizante

Punto A Fijo

Fig. 25 Diagrama de tubería con punto fijo, punto de guía y accesorio de expansión. El punto fijo (A) es un dato de posición desde donde comienza la dilatación. El punto de guía (B) permite el movimiento libre de dilatación de

Fig. 26 Patín

Fig. 27 Patín con abrazadera

Los patines son un método ideal de soporte de las tuberías, pues les permiten el movimiento en dos direcciones. Para las tuberías de acero, los patines deben estar fabricados en material férrico y para tuberías de cobre, deben ser de material no férrico. Es bueno montar una abrazadera a las tuberías soportadas por patines, atornillándolas a un soporte cada no más de 6 m, para mantener la tubería alineada mientras se dilata y se contrae. Cuando se deben soportar dos tuberías, no es una buena solución montar la tubería inferior colgada de la tubería superior con una abrazadera. Esto provocaría una tensión extra sobre la tubería superior, cuyo espesor ha sido dimensionado para soportar solamente las tensiones de su presión de trabajo. Todos los soportes de tuberías deben estar especialmente diseñados para adaptarse al diámetro exterior de la tubería en cuestión. El accesorio de expansión (C) es un método de adaptación a la dilatación. Estos accesorios se montan en la línea, y están diseñados para acomodar la dilatación, sin que cambie la longitud l ongitud total de la tubería.

Accesorios de dilatación

Curva completa (Figura 28) Esto es simplemente una vuelta completa de la tubería y es preferible montarla horizontalmente que en posición vertical, para evitar que se acumule el condensado en su interior. El lado de salida ha de pasar por debajo del lado de entrada y debe prestarse mucha atención a no montarla al revés. Cuando las curvas completas se vayan a montar en espacios limitados, asegúrese al hacer el pedido, para evitar que se le suministren del lado contrario al que requiere. Al dilatarse, la curva completa no produce una fuerza en oposición a la dilatación de la tubería, como sucede con otros tipos de accesorios, pero cuando hay presión en su interior, existe una ligera tendencia a disminuir la curvatura, lo que produce una solicitación adicional en las bridas.

Lira o herradura (Figura 29) Cuando se dispone de espacio algunas veces se utiliza este tipo de accesorio. Lo mejor es montarla horizontalmente para que la curva y la tubería estén en el mismo plano por las mismas razones que la curva cerrada. La presión no tiende a abrir los extremos de la curva pero hay un ligero efecto de tensión hacia el exterior debido al diseño, que no causa desalineación en las bridas. En otros casos, la “curva” se fabrica con tramos rectos de tubería, y curvas de 90º. Esto puede no ser efectivo y requiere más espacio, pero cumple con las mismas necesidades. Si este dispositivo se monta verticalmente, deberá disponerse un punto de purga antes de la lira.

Fig. 28 Curva completa

Fig. 29 Lira o herradura

Curvas de dilatación (Figura 30) Las curvas de dilatación se pueden fabricar con tramos rectos de tuberías y codos soldados en las juntas. Los valores de expansión que se pueden absorber en tales conjuntos se muestran en las

Curva soldada radio = 1,5 dia

2W W

Fig. 30 Curva de dilatación

Soldadura

Junta deslizante (Figura 31) Se usan frecuentemente por el reducido espacio que ocupan, pero es imprescindible que la tubería esté rígidamente anclada y guiada, siguiendo las instrucciones del fabricante. Si no es así, la presión de vapor que actúa sobre la sección transversal del casquillo de la junta, tiende a provocar un movimiento en oposición a las fuerzas debidas a la expansión de la tubería. Si no está bien alineada, el casquillo se curvará, por lo que también será necesario un mantenimiento regular del prensaestopas. Fuelles (Figura 32) Un simple fuelle tiene la ventaja de ser un accesorio que se monta en la línea y no requiere empaquetadura, como en el caso de la junta deslizante. Pero presenta las mismas desventajas que la junta deslizante en cuanto que la presión interna tiene tendencia a alargar el accesorio, por lo que los anclajes y las guías deben ser capaces de soportar estas fuerzas. Los fuelles, no obstante, se pueden incorporar a diversos dispositivos de expansión de diseño adecuado, como se muestra en la Figura 33 de la página 39, que es capaz de absorber no sólo el movimiento axial, sino que también absorbe parte del desplazamiento lateral y angular. Como en el caso anterior, la instalación debe cumplir las instrucciones del fabricante.

Fig. 31 Junta deslizante

Fig. 32 Fuelle

Para que los accesorios de expansión trabajen correctamente, la tubería deberá estar bien anclada en algún punto entre los dispositivos de expansión. También es muy importante que esté bien guiada para que ningún movimiento interfiera en la pendiente de diseño hacia los puntos de purga.

Fig. 33 Disposición de accesorios de expansión de fuelles.

Distancia entre soportes de tubería

La frecuencia de los soportes de tubería variará de acuerdo con el diámetro de la tubería; el material (acero o cobre); y si está en posición horizontal o vertical. Generalmente los soportes de tuberías deben cumplir la BS 3974, Parte 1, 1974: ‘Soportes colgados, deslizantes y de patín’ Algunos puntos importantes son: Los soportes deben ir montados en las uniones de tuberías, (curvas, ‘T’, válvulas y bridas), y a intervalos no mayores a los mostrados en la tabla que hay más abajo. La razón de colocar los soportes en las uniones, es para eliminar las tensiones en juntas roscadas roscadas o con bridas. bridas. Cuando hay dos o más tuberías soportadas por un accesorio común, la distancia entre los puntos de soporte debe ser la adecuada para la tubería de menor tamaño. Cuando el movimiento vaya a ser considerable, como en tramos de tubería recta de longitud superior a 15 m, los soportes deberán ser de tipo patín como se mencionó anteriormente. La siguiente tabla puede utilizarse como guía cuando calcule la distancia entre soportes de tubería de acero y de cobre.

Tabla 5 Soportes recomendados para tubería Diámetro nominal (mm) Acero/Cobre ø interior ø exterior 12 15 15 18 20 22 25 28 32 35 40 42 50 54 65 67 80 76 100 108 125 133 150 159 200 194 250 267

Intervalo de recorrido horizontal (m) Acero suave Cobre 1,0 2,0 1,2 2,4 1,4 2,7 1,7 2,7 1,7 3,0 2,0 3,4 2,0 3,7 2,0 3,7 2,4 4,1 2,7 4,4 3,0 4,8 3,4 5,1 5,8

Intervalo de recorrido vertical (m) Acero suave Cobre 1,2 2,4 1,4 3,0 1,7 3,0 2,0 3,0 2,4 3,6 2,4 4,1 2,4 4,4 2,9 4,4 3,2 4,9 3,6 5,3 4,1 5,7 6,0 5,9

Las tuberías verticales deben soportarse adecuadamente en la base, para aguantar todo el peso de la tubería. Las derivaciones de las tuberías verticales no deben utilizarse como medio de soporte de la tubería, ya que esto causaría excesivos esfuerzos sobre las uniones en ‘T’. Todos los soportes deben estar específicamente diseñados para adaptarse al diámetro exterior de la tubería en cuestión. No

Tabla 6 Dilatación de las tuberías (mm cada 10 m) Temperatura Acero al carbono °C

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480

mm/10 m - 4 ,9 9 - 4 ,4 4 - 3 ,9 0 - 3 ,3 5 - 2 ,8 0 - 2 ,2 4 - 1 ,6 9 - 1 ,1 3 - 0 ,5 6 0,00 0,57 1,14 1,71 2,29 2,86 3,44 4,03 4,61 5,20 5,79 6,39 6,98 7,5 8 8,1 8 8,7 9 9,3 9 10 ,00 11 ,23 12 ,47 13 ,72 14 ,97 16 ,24 17 ,52 18 ,81 20 ,11 21 ,43 22 ,75 24 ,08 25 ,42 26 ,78 28 ,14 29 ,52 30 ,90 32 ,30 33 ,70 35 ,12 36 ,55 37 ,98 39 ,43 40 ,89 42 ,36 43 ,84 45 ,33 46 ,83 48 ,35 49 ,87 51 ,40

Acero 12 % Cr mm/10 m -5,05 -4,49 -3,94 -3,38 -2,82 -2,26 -1,69 -1,13 -0,57 0, 00 0, 57 1, 13 1, 70 2, 27 2, 84 3, 42 3, 99 4, 56 5, 14 5, 72 6, 29 6 ,87 7 ,45 8 ,03 8 ,62 9 ,20 9, 78 1 0,9 6 1 2,1 3 1 3,3 2 1 4,5 0 1 5,6 9 1 6,8 9 1 8,0 8 1 9,2 9 2 0,5 0 2 1,7 1 2 3,0 4 2 4,2 8 2 5,5 3 2 6,7 8 2 8,0 4 2 9,3 0 3 0,5 7 3 1,8 5 3 3,1 3 3 4,4 2 3 5,7 1 3 7,0 1 3 8,3 2 3 9,6 3 4 0,9 4 4 2,2 6 4 3,5 9 4 4,9 3 4 6,2 7 4 7,6 1 4 8,9 6 5 0,3 2 5 1,6 8 5 3,0 5 5 4,4 3 5 5,8 1 5 7,1 9 5 8,5 8

Materiales

Acero inox. 18/8 mm/10 m - 7, 7 9 - 6, 9 2 - 6, 0 5 - 5, 1 9 - 4, 3 2 - 3, 4 6 - 2, 5 9 - 1, 7 3 - 0, 8 6 0,00 0,86 1,73 2,59 3,46 4,32 5,18 6,05 6,91 7,78 8,64 9,50 10 ,37 1 1,23 1 2,09 1 2,95 1 3,82 14 ,68 16 ,41 18 ,13 19 ,85 21 ,58 23 ,30 25 ,02 26 ,75 28 ,47 30 ,19 31 ,91 33 ,63 35 ,35 37 ,07 38 ,79 40 ,51 42 ,23 43 ,94 45 ,66 47 ,38 49 ,09 50 ,81 52 ,53 54 ,24 55 ,95 57 ,67 59 ,38 61 ,10 62 ,81 64 ,52 66 ,23 67 ,94 69 ,66 71 ,37 73 ,08 74 ,79 76 ,49 78 ,20 79 ,91

Hierro dú dúctil mm/10 m - 4 ,5 4 - 4 ,0 4 - 3 ,5 3 - 3 ,0 3 - 2 ,5 2 - 2 ,0 2 - 1 ,5 1 - 1 ,0 1 - 0 ,5 0 0,00 0,50 1,01 1,51 2,02 2,52 3,21 3,75 4,28 4,82 5,36 5,89 6,43 6,9 6 7,5 0 8,0 3 8,5 7 9,10 10 ,53 11 ,64 12 ,75 13 ,86 14 ,97 16 ,60 17 ,74 18 ,89 20 ,03 21 ,18 23 ,38 24 ,58

Co b re mm/10 m -7,16 -6,38 -5,59 -4,79 -4,00 -3,20 -2,41 -1,61 -0,80 0,00 0,81 1,61 2,42 3,24 4,05 4,87 5,68 6,50 7,33 8,15 8,98 9 ,80 10, 63 11, 47 12, 30 13, 14 13, 97 15, 66 17, 35 19, 04 20, 75 22, 46 24, 19 25, 92 27, 65 29, 40 31, 15

Diferencia de temperaturas temper aturas °C °C 50

) 22 220 0 m 200 20 0 ( a í r e b 10 0 u 100 t e d d u t i 50 g 40 n o L 30

100 10 0

200 20 0

300 30 0 40 400 0 50 500 0

20 10 5

20

10

30 40 50

Temperatura del vapor saturado bar r 1 2 3 4 °C

120

134

144

152

200

100 10 0

500 50 0 1 000 2 000 300 Dilatación de la tubería (mm)

5

7,5

10

15

20

25

30

159

173

184

201

215

226

236

Fig. 34 Gráfico de expansión para tubería de acero suave

Dilatación desde la posición neutral (mm) 75

50

25

) 200 20 0 m m ( a í r e b u t e d l 100 0 a 10 n i 90 m o 80 n o r 70 t e m 60 á i D 50

100 10 0

150 15 0

125 12 5

3

175 17 5 20 200 0

4 W. metros

3,5

40 30 2W 20 0,5

1

1,5

Fig. 35 Curva de dilatación de cobre

50

25

) 400 0 m 40 m ( a 30 í 0 r 300 e b u t e d 20 0 l 200 a n i m o n o r t e 10 100 0 m á 90 i D 80

2 2,5 W. metros

75

W

Presión máxima 10 bar

Dilatación desde la posición neutral (mm) 125 12 5 150 15 0 17 100 175 5 200 20 0

3,5

4

4,5

70 60 50

Curvas soldadas radio = 1,5 diámetro

2W

40

5 W. metros

W

30 25 0,5

1

1,5

2

Fig. 36 Curvas de dilatación de acero

3 2,5 W. metros

Presión máxima 17 bar Temperatur Tempe ratura a máxima 260°C 260°C

Eliminación de aire A menudo se olvida que cuando se introduce vapor en una línea después de un periodo de parada, la tubería está llena de aire. Además, con el vapor se introducen ciertas cantidades de aire y otros gases no condensables, aunque las proporciones de estos gases son normalmente muy pequeñas comparadas con el vapor. No obstante, si no se toman medidas para eliminarlos, estos gases se acumularán en la tubería y en los espacios que libera el vapor al condensar en los intercambiadores de calor. El calentamiento del sistema de vapor se convertirá en un proceso largo que contribuirá a la disminución del rendimiento de la planta. Otro efecto del aire en el sistema de vapor será el efecto sobre la presión y la temperatura. El aire ejercerá su presión parcial en el espacio del vapor, y esta presión se añadirá a la presión parcial del vapor, dando entre ambas, la presión total. Por lo tanto, la presión del vapor será menor a la presión total señalada por el manómetro. La temperatura será también menor a la que correspondería por la indicación del manómetro. En realidad este es usualmente un concepto marginal. Mucho más importante i mportante es el efecto que el aire tiene sobre la transferencia de calor. Una capa de aire de 1 micra de espesor puede ofrecer la misma resistencia al paso del calor que una capa de agua de 25 micras de espesor, o una capa de hierro de 2mm, o una capa de cobre de 17 mm. Es, por tanto, de suma importancia eliminar el aire del sistema. Los eliminadores de aire automáticos para sistemas de vapor no son más que purgadores de vapor termostáticos, montados a un nivel superior al del condensado, de forma que sólo lo alcancen el vapor, o el aire, o mezclas de aire/vapor. La mejor ubicación para los eliminadores de aire son los extremos de líneas de vapor principales o derivaciones de gran diámetro como se ve en la Figura 37.

Vapor Aire

Condensado

Fig. 37 Purga y eliminación de aire en los extremos de la tubería

La descarga del eliminador de aire se puede conducir a un lugar seguro. En la práctica, es frecuente llevarla a una línea de condensado, cuando se trata de una línea que por gravedad desciende hasta un recipiente con venteo. Además de los extremos de líneas principales, otras partes del sistema de vapor que pueden requerir la eliminación de aire son: En paralelo con un purgador de cubeta invertida, ya que estos son relativamente lentos para eliminar el aire en la puesta en marcha. En espacios de vapor complicados como el lado opuesto a la entrada de vapor en un recipiente con camisa de vapor. Cuando hay un gran espacio de vapor, y debe evitarse la mezcla de vapor/aire.

Reducción de pérdidas de calor Cuando una línea de vapor se ha calentado, se sigue produciendo condensado a causa de las pérdidas de calor por radiación. La tasa de condensación depende de la temperatura del vapor, la temperatura ambiente y la eficacia del sistema de aislamiento. Para que un sistema de distribución sea máximamente eficiente, deberán cuidarse todos los aspectos para reducir las pérdidas de calor al mínimo de forma rentable. El espesor de aislamiento más rentable dependerá de diversos factores: Coste de la instalación. Valor del calor transportado por el vapor. Tamaño de la tubería. Temperatura de la tubería. Si la tubería que se desea aislar está en el exterior, deberá tenerse en cuenta la velocidad del aire y la capacidad de amortiguamiento del aislante. La mayoría de los materiales aislantes se basan en diminutas células de aire, dispuestas en una base de material inerte como lana mineral, fibra de vidrio o silicato de calcio. Las instalaciones típicas utilizan fibra de vidrio chapada en aluminio, lana mineral chapada en aluminio y silicato de calcio. Es importante que el material aislante no quede aplastado o pueda inundarse. Es esencial una protección mecánica adecuada y la resistencia al agua, especialmente cundo se encuentra a la intemperie. Las pérdidas de calor de una tubería de vapor al agua, o al aislante saturado de agua, pueden ser tanto como 50 veces mayores que las pérdidas de la misma tubería al aire. Debe prestarse una atención especial a la protección de las líneas de vapor que discurren por suelos inundados o por conductos susceptibles de inundarse. Debe tenerse en cuenta la necesidad de aislar todos los elementos calientes del sistema. Esto incluye todas las juntas con bridas de las tuberías de distribución, las válvulas y otros accesorios. En el pasado, era común que el aislamiento quedara cortado a ambos lados de una junta con bridas, permitiendo el acceso a los tornillos para el mantenimiento. Esto representaba unos 0,3 m de tubería descubierta, a lo que había que añadirle la superficie de las bridas. El efecto total de esto era el equivalente a dejar descubiertos 0,6 m de tubería en cada junta. Afortunadamente, la disponibilidad de fundas aislantes prefabricadas para juntas con bridas, y cajas para aislar las válvulas es ampliamente valorada. Normalmente estos aislamientos van provistos de cierres que permiten ser desmontados con facilidad para realizar tareas de mantenimiento.

El cálculo de las pérdidas de calor de una tubería puede ser muy complejo y llevarnos mucho tiempo, ya que se debe considerar la teoría de transferencia de calor por conducción, convección y radiación. Las ecuaciones para calcular estos factores son distintas y asumen que los datos relacionados con el espesor de tubería, coeficientes de transferencia de calor y diversas constantes derivadas son fácilmente conocidas.

Cálculo de la transferencia de calor

El estudio de estas formulaciones escapa del objetivo de esta guía, pero cabe decir que en cualquier buen libro de termodinámica puede encontrarse información sobre el tema. Existe, además, gran abundancia de software que proporciona gran ayuda al ingeniero exigente. De esta manera, la solución más corriente a este problema, puede encontrarse fácilmente utilizando la Tabla 7 y una ecuación sencilla. La tabla tab la supone condiciones condicione s ambientales entre ent re 10 - 21 °C, y considera las pérdidas de calor en tuberías horizontales de distintos tamaños a varias presiones. Tabla 7 Emisiones de calor en las tuberías Diferencia de temperatura entre vapor y aire °C 56 67 78 89 100 111 125 139 153 167 180 194

15 mm

20 mm

25 mm

54 68 83 99 116 134 159 184 210 241 274 309

65 82 100 120 140 164 191 224 255 292 329 372

79 100 122 146 169 198 233 272 312 357 408 461

Tamaño do tubería 32 40 50 mm mm mm W/m 103 108 132 122 136 168 149 166 203 179 205 246 208 234 285 241 271 334 285 285 394 333 333 458 382 382 528 437 437 602 494 494 676 566 566 758

65 mm

80 mm

155 198 241 289 337 392 464 540 623 713 808 909

188 236 298 346 400 469 555 622 747 838 959 1 080

100 mm

150 mm

233 296 360 434 501 598 698 815 939 1 09 3 1 19 0 1 30 3

324 410 500 601 696 816 969 1 1 33 1 3 05 1 4 92 1 6 60 1 8 52

Nota: Emisión de calor en tuberías tu berías horizontales horizont ales sin protección con temperatura t emperatura ambiente ambi ente entre 10°C 10°C y 21°C y aire en calma.

Se pueden introducir otros factores en la ecuación, como por ejemplo, si la tubería estuviera aislada, se produciría una reducción de un 15 % en las pérdidas de calor respecto a una tubería no aislada. En este caso, basta con multiplicar M por un factor 0,15. Q x L x 3,6 Donde: M= x f hfg M = Ta Tasa sa de co cond nden ensa saci ción ón (k (kg/ g/h) h) Q = Emi Emisió sión n ca calo loríf rífica ica (W/ (W/m) m) (se (segú gún n Tab Tabla la 7) L = Lo Longi ngitud tud efe efect ctiva iva de tub tuberí ería, a, ten tenien iendo do en cu cuent enta a bridas y accesorios(m) hfg = Enta Entalpía lpía espe específi cífica ca de evap evaporac oración ión (kJ/kg (kJ/kg)) f = fa fact ctor or de ai aisl slam amie ient nto. o. Pa Para ra tu tube berí rías as si sin n ais aisla larr f = 1. 1. ●

●

●

Normativas de UK e Internacionales Se han utilizado símbolos para indicar estándares armonizados, estándares técnicamente equivalentes y estándares relacionados - ; = y ¹ respectivamente. ≡

BS 10 Especificación para bridas y tornillos de tuberías, válvulas y accesorios. BS 21 = ISO 7/1 ¹ ISO 7/2 Especificación para roscas en tuberías y accesorios cuando las juntas se hacen estancas a la presión en las roscas. BS 806 Especificación para diseño y construcción de instalaciones de tuberías férricas para y en conexiones con calderas terrestres. BS 1306 Especificación para sistemas de tuberías de cobre y aleación de cobre. BS 1387 Especificación para tubos con extremo enchufado o roscado y para tubos de acero de extremo liso adecuados para soldar y roscar con roscas de tuberías BS 21. BS 1560 Bridas circulares para tuberías, válvulas y accesorios (clase designada); Parte 3 Sección 3.1 Especificación para bridas de acero (¹ISO 7005); Parte 3 Sección 3.2 Especificación para bridas de hierro fundido (¹ISO 7005-2); Parte 3 Sección 3.3 Especificación para bridas de aleación de cobre y compuestos (¹ISO 7005-3). BS 1600 Dimensiones de las tuberías de acero para la industria del petróleo. BS 1965 Especificación para accesorios de tuberías butt welding para trabajar a presión. BS 1710 Especificación para la identificación de tuberías. BS 2779 = ISO 228/1 e ISO 228/2 Especificación para roscas de tuberías y accesorios cuando la estanqueidad a la presión de las juntas no se realiza realiza en las roscas. roscas. BS 3600 Especificación para dimensiones y masas por unidad de longitud de tuberías de acero estirado y soldado y tubos para trabajar a presión. BS 3601 Especificación para tuberías y tubos de acero con propiedades de temperatura local especificadas para trabajar a presión.

BS 3602 Especificación para tuberías y tubos de acero para trabajar a presión: acero al carbono y al carbono-manganeso con especificación de propiedades térmicas elevadas. BS 3603 Especificación para tubos y tuberías de acero aleado y al carbono con especificación de propiedades térmicas bajas para trabajar a presión. BS 3604 Tubos y tuberías de acero para trabajar a presión: acero de aleación ferrítica con especificación de propiedades térmicas elevadas. BS 3605 Tubos y tuberías de acero inoxidable austenítico para trabajar a presión. BS 3799 Especificación para accesorios de tubería de acero, roscados o socket welded para la industria del petróleo. BS 3974 Especificación para soportes de tuberías. BS 4504 Parte 3 Sección 3.1 Especificación para bridas de acero; Sección 3.2 Especificación para bridas de hierro fundido (¹ISO 7005-2); Sección 3.3 Especificación para bridas de aleación de cobre y compuestos (¹ISO 7005/3).

Sumario Para resumir lo que ha cubierto esta Guía de Referencia Técnica, sería apropiado finalizar con una lista de comprobación, que nos servirá para asegurar que un sistema de distribución de vapor funcione con un rendimiento óptimo. ¿Están bien dimensionadas las líneas de distribución de vapor? ¿Están debidamente instaladas las líneas de distribución de vapor? ¿Se purgan de forma adecuada las líneas de distribución? ¿Se elimina correctamente el aire de las tuberías? ¿Se ha previsto adecuadamente la dilatación? ¿Se pueden utilizar separadores para mejorar la calidad del vapor? ¿Hay fugas en juntas, prensaestopas o válvulas de seguridad? ¿Hay tuberías sobrantes que puedan aislarse o eliminarse del circuito? ¿Está suficientemente calorifugado el sistema?

Apéndice 1 – Dimensionado según la capacidad y la caída de presión de las tuberías Lo que se expone a continuación se refiere a la sección titulada ‘Dimensionado de tuberías según la caída de presión’. El ejemplo demuestra el método teórico para el cálculo del tamaño de la tubería utilizando la caída de presión.

Ejemplo

Supongamos que tenemos una caldera que alimenta una batería de calefacción como en la Figura 38. 150 m + 10 % = 165 m

Caldera a 7 bar r 284 kg/h

Batería de calefacción 6,6 bar r 270 kg/h

Fig. 38 Caldera - Batería de calefacción La longitud del recorrido desde la caldera hasta la batería de calefacción es conocida, pero debemos calcular la longitud equivalente de tubería que tenga en cuenta la resistencia al paso del fluido de los accesorios instalados. Si el tamaño de la tubería fuese conocido, podríamos calcular la resistencia de los accesorios. Como no conocemos el tamaño, sumaremos la longitud equivalente basándonos en la experiencia. Si la línea tiene más de 100 metros de longitud, y su recorrido es relativamente recto, el aumento proporcional debido a los accesorios será de un 10 %. Otra línea, también relativamente recta, pero de una longitud inferior, requerirá un aumento sobre el 20 %. Debe aún sumarse otro complemento, este, a causa de las pérdidas de calor en las tuberías. La batería de calefacción requiere 270 kg/h de vapor. Por tanto, la tubería deberá transportar este caudal, más la cantidad de vapor que condensa debido a las pérdidas de calor. El tamaño de la tubería de distribución está aún por determinar y, por tanto, todavía no podemos realizar los cálculos. Suponiendo que la tubería esté aislada, es razonable sumar un 1 % del caudal de vapor cada 30 metros de recorrido por pérdidas de calor. Esto equivale a un 3,4 % cada 100 m, y en

nuestro caso, el 3,4 % de 270 kg/h cada 100 m, multiplicado por la longitud de la tubería, nos daría lo siguiente: 3,4 x 270 kg/h x 150 m = 14 kg/h debido debido a las pér pérdid didas as de de calor calor 10 0 100 m Caudal total de vapor = 270 kg/h + 14 kg/h = 284 kg/h Volviendo a la ecuación De la tabla de factores de presión para dimensionado de tuberías (Tabla 8 página 55) P1 a 7,0 bar r P2 a 6,6 bar r Longitud L Por lo tanto,

= 56,38 = 51,05 = 165 m F = P1 - P2 L

=

56,38 - 51,05 1 65

=

0,0323

Siguiendo hacia abajo por la columna izquierda de la tabla de factores de capacidad de tuberías y caída de presión (Tabla 9), se encuentra que las dos lecturas más cercanas a nuestro valor de 0,0323 son 0,03 y 0,04. El factor 0,04 implica una caída de presión hasta una presión final inferior a 6,6 bar y, por lo tanto, debemos elegir el siguiente valor inferior, en este caso, 0,030. Es una mala práctica dimensionar una tubería al límite de su capacidad, pues se debe disponer de un margen para compensar cualquier error en el diseño. Tomamos pues, el factor inferior siguiente. También se pueden interpolar las lecturas con una precisión razonable, aunque la tabla no corresponde a una línea recta en un gráfico y en consecuencia, interpolar no es absolutamente correcto. Desde 0,030, se sigue la línea x (volumen de vapor), y vemos que una tubería de 40 mm transporta tra nsporta sólo 229,9 kg/h y una de 50 mm transporta 501,0 kg/h. Obviamente, deberemos seleccionar la tubería de 50 mm de diámetro ya que cumple el requisito de capacidad. Habiendo dimensionado la tubería de distribución según el método de la caída de presión, podemos ahora comprobar si estamos aún dentro de los límites requeridos de velocidad del vapor. Esto supondrá utilizar la línea del factor de velocidad (y) de la Tabla 9, que se basa en un volumen de vapor de 1 m3/kg. Nuestro diagrama (Figura 38), muestra 284 kg de vapor pasando a través de una tubería de 50 mm. Si vamos a la Tabla 9 y buscamos en la columna de tubería de 50 mm, veremos que donde se transporta esta cantidad de vapor, el factor fact or de velocidad

El vapor a 7 bar r tiene un volumen específico (como muestra la Tabla 8 página 55) de 0,24 m³ /kg, /kg, por lo tanto, la velocidad real en el sistema del ejemplo utilizando una tubería de 50 mm es: y = Velocidad real x 1 40 =

\

Velocidad real 0,24

Velocidad rea real =

40 x 0,24

Velocidad re real =

9,6 m/s

Observamos que esta velocidad es baja en comparación con las velocidades máximas permitidas, pero debemos recordar que la tubería se ha dimensionado para limitar la caída de presión, en tanto que permitir las velocidades máximas comporta normalmente una alta caída de presión.

Table 8 Factores de presión para dimensionado de tuberías P r es i ó n bar 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,013 b ar ga u ge 0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30 1,35 1,40 1,45 1,50 1,55 1,60 1,65 1,70 1,75 1,80 1,85 1,90 1,95 2,00 2 05

V olumen m³ /kg /kg 28,192 14,674 10,022 7, 64 9 6,204 5,229 4,530 3,993 3,580 3,240 2,964 2,732 2,535 2,365 2,217 2,087 1,972 1,869 1,777 1,673 1,673 1,601 1,533 1,471 1,414 1,361 1,312 1,268 1,225 1,186 1,149 1,115 1,083 1,051 1,024 0,997 0,971 0,946 0,923 0,901 0,881 0,860 0,841 0,823 0,806 0,788 0,773 0,757 0,743 0,728 0,714 0,701 0,689 0,677 0,665 0,654 0,643 0,632 0,622 0,612 0,603 0 594

Factor de presión 0,0301 0,0115 0,0253 0,0442 0,0681 0,0970 0,1308 0,1694 0,2128 0,2610 0,3140 0,3716 0,4340 0,5010 0,5727 0,6489 0,7298 0,8153 0,9053 1,025 1,025 1,126 1,230 1,339 1,453 1,572 1,694 1,822 1,953 2,090 2,230 2,375 2,525 2,679 2,837 2,999 3,166 3,338 3,514 3,694 3,878 4,067 4,260 4,458 4,660 4,866 5,076 5,291 5,510 5,734 5,961 6,193 6,429 6,670 6,915 7,164 7,417 7,675 7,937 8,203 8,473 8 748

Bar relativo 2,15 2,20 2,25 2,30 2,35 2,40 2,45 2,50 2,55 2,60 2,65 2,70 2,75 2,80 2,85 2,90 2,95 3,00 3,10 3,20 3,30 3,40 3,50 3,60 3,70 3,80 3,90 4,00 4,10 4,20 4,30 4,40 4,50 4,60 4,70 4,80 4,90 5,00 5,10 5,20 5,30 5,40 5,50 5,60 5,70 5,80 5,90 6,00 6,10 6,20 6,30 6,40 6,50 6,60 6,70 6,80 6,90 7,00 7,10 7,20 7,30 7,40 7 50

V olumen m ³ /kg /kg 0,576 0,568 0,660 0,552 0,544 0,536 0,529 0,522 0,515 0,509 0,502 0,496 0,489 0,483 0,477 0,471 0,466 0,461 0,451 0,440 0,431 0,422 0,413 0,405 0,396 0,389 0,381 0,374 0,367 0,361 0,355 0,348 0,342 0,336 0,330 0,325 0,320 0,315 0,310 0,305 0,301 0,296 0,292 0,288 0,284 0,280 0,276 0,272 0,269 0,265 0,261 0,258 0,255 0,252 0,249 0,246 0,243 0,240 0,237 0,235 0,232 0,229 0 227

Factor de presión 9,309 9,597 9,888 10,18 10,48 10,79 11,40 11,41 11,72 12,05 12,37 12,70 13,03 13,37 13,71 14,06 14,41 14,76 15,48 16,22 16,98 17,75 18,54 19,34 20,16 21,00 21,85 22,72 23,61 24,51 25,43 26,36 27,32 28,28 29,27 30,27 31,29 32,32 33,37 34,44 35,52 36,62 37,73 38,86 40,01 41,17 42,35 43,54 44,76 45,98 47,23 48,48 49,76 51,05 52,36 53,68 55,02 56,38 57,75 59,13 60,54 61,96 63 39

Bar relativo 7,70 7,80 7,90 8,00 8,10 8,20 8,30 8,40 8,50 8,60 8,70 8,80 8,90 9,00 9,10 9,20 9,30 9,40 9,50 9,60 9,70 9,80 9,90 10,00 10,20 10,40 10,60 10,80 11,00 11,20 11,40 11,60 11,80 12,00 12,20 12,40 12,60 12,80 13,00 13,20 13,40 13,60 13,80 14,00 14,20 14,40 14,60 14,80 15,00 15,20 15,40 15,60 15,80 16,00 16,20 16,40 16,60 16,80 17,00 17,20 17,40 1 7, 6 0 17 80

Volumen m ³ /kg /kg 0,222 0,219 0,217 0,215 0,212 0,210 0,208 0,206 0,204 0,202 0,200 0,198 0,196 0,194 0,192 0,191 0,189 0,187 0,185 0,184 0,182 0,181 0,179 0,177 0,174 0,172 0,169 0,166 0,163 0,161 0,158 0,156 0,153 0,151 0,149 0,147 0,145 0,143 0,141 0,139 0,135 0,133 0,132 0,130 0,128 0,127 0,125 0,124 0,122 0,121 0,119 0,118 0,117 0,115 0,114 0,113 0,111 0,110 0,109 0,108 0,107 0,106 0 105

Factor de presión 66,31 67,79 69,29 70,80 72,33 73,88 75,44 77,02 78,61 80,22 81,84 83,49 85,14 86,81 88,50 90,20 91,92 93,66 95,41 97,18 98,96 100,75 102,57 104,40 108,10 111,87 115,70 119,59 123,54 127,56 131,64 135,78 139,98 144,25 148,57 152,96 157,41 161,92 166,50 171,13 175,83 180,58 185,40 190,29 195,23 200,23 205,30 210,42 215,61 220,86 226,17 231,54 236,97 242,46 248,01 253,62 259,30 265,03 270,83 276,69 282,60 288,58 294 52

Table 9 Factores de capacidad de tubería y caída de presión Fa c to r F 0,00016 0,00020 0,00025 0,00030 0,00035 0,00045 0,00055 0,00065 0,00075 0,00085 0,00100 0,00125 0,00150 0,00175 0,0020 0,0025 0,0030 0,0040 0,0050 0,0060 0,0080 0,0100 0,0125 0,0150 0,0175 0,020 0,025 0,030 0,040 0,050 0,06 0,08 0,10 0,12 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

15 x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x

1,96 4,10 2,10 4,39 2,39 5,00 2,48 5,19 2,84 5,94 3,16 6,61 3,44 7,20 4,17 8,73 4,71 9,86 5,25 10,99 6,08 12,72 6,86 14,36 7,35 15,38 8,27 17,31 8,58 17,95 9,80 20,51 10,99 23,00 12,00 25,11 14,46 30,26 16,43 34,38 18,14 37,96 21,08 44,11 24,03 50,29 25,99 54,39 28,50 59,64 34,32 71,82 37,72 78,94 41,37 86,58 43,34 90,70 49,93 104,5 50,31 105,3 55,90 117,0 62,28 130,3 63,07 132,0 72,08 150,8 73,28

20

3,62 3,54 4,04 3,96 4,46 4,37 4,87 4,77 5,52 5,41 5,84 5,72 6,26 6,13 7,35 7,20 7,51 7,36 8,58 8,40 9,48 9,29 10,34 10,13 12,50 12,25 14,12 13,83 15,69 15,37 18,34 17,97 20,64 20,22 22,20 21,75 25,00 24,49 26,39 25,85 30,16 29,55 33,48 32,80 36,78 36,03 44,16 43,23 49,53 48,52 52,96 51,88 62,28 61,02 70,12 68,70 77,48 75,91 84,13 84,42 102,0 99,93 112,7 110,4 122,7 120,2 128,7 126,1 147,1 144,1 150,0 146,9 166,7 163,3 185,3 181,5 188,8 185,0 215,8 211,4 218,4

25

6,86 3,88 7,94 4,49 8,99 5,09 9,56 5,41 10,57 5,98 11,98 6,78 12,75 7,21 13,57 7,68 15,17 8,58 16,30 9,22 18,63 10,54 20,75 11,74 22,5 12,73 26,97 15,26 30,40 17,20 35,80 20,26 39,23 22,20 44,13 24,97 47,28 26,75 53,33 30,18 55,78 31,56 63,75 36,07 70,73 40,02 77,23 43,70 93,17 52,72 104,4 59,08 115,7 65,47 134,8 76,28 152,0 86,01 167,7 94,90 183,9 104,1 220,7 124,9 245,2 138,7 266,6 150,9 283,2 160,2 323,6 183,1 326,6 184,8 362,9 205,3 402,1 227,5 407,6 230,6 465,8 236,6 476,6

32

10,84 3,74 11,95 4,13 12,44 4,30 14,56 5,03 16,18 5,59 17,76 6,13 19,31 6,67 21,88 7,56 23,50 8,12 24,96 8,62 28,04 9,68 29,61 10,23 33,83 11,68 37,25 12,86 40,45 13,97 48,55 16,77 54,92 18,97 60,31 20,83 70,12 24,22 79,44 27,44 81,00 27,98 95,62 33,03 100,4 34,68 114,7 39,62 127,3 43,97 137,9 47,63 169,2 58,44 191,2 66,04 210,8 72,81 245,2 86,69 277,0 95,67 306,5 105,9 334,2 115,4 402,1 138,9 447,9 154,7 487,3 168,3 514,9 177,8 588,4 203,2 600,2 207,3 666,9 230,3 735,5 254,0 750,9 259,3 858,1 296,4

40

16,18 3,96 17,92 4,39 19,31 4,73 20,59 5,04 23,39 5,73 26,52 6,49 29,14 7,14 31,72 7,77 35,95 8,80 38,25 9,37 40,72 9,97 45,97 11,26 49,34 12,08 56,39 13,81 61,30 15,01 66,66 16,33 80,91 19,82 90,23 20,10 99,05 24,26 116,2 28,46 130,4 31,94 140,1 34,31 157,2 38,50 165,6 40,65 189,3 46,36 209,8 51,39 229,9 56,31 279,5 68,46 313,8 76,86 343,2 84,06 402,1 98,49 456,0 111,7 500,2 122,5 551,7 135,1 622,0 162,1 735,5 180,1 804,5 197,0 841,0 206,0 961,1 235,4 979,9 239,9 1089 266,7 1201 294,1

50 30,40 4,30 34,32 4,85 38,19 5,40 41,83 5,92 43,76 6,21 50,75 7,18 57,09 8,08 62,38 8,82 68,04 9,62 77,11 10,91 81,89 11,58 87,57 12,39 98,84 13,98 103,4 14,63 118,2 16,72 132,0 18,67 143,4 20,29 173,1 24,49 196,1 27,74 215,8 30,53 251,5 35,58 283,9 40,16 302,1 42,74 342,0 43,38 360,4 50,99 411,9 58,27 459,7 65,03 501,1 70,89 600,7 84,98 676,7 95,73 750,3 106,1 872,8 123,5 980,7 138,7 1079 152,6 1195 169,0 1427 201,9 1565 221,4 1710 241,9 1802 254,9 2059 291,3 2083 294,7 23214 327,4

Tamaño de tuberia en mm 65 80 100 55,41 4,86 62,77 5,51 69,31 6,08 75,85 6,65 80,24 7,04 92,68 8,13 103,8 9,10 113,8 9,98 124,1 10,88 140,7 12,34 148,6 13,03 159,8 14,02 179,3 15,72 188,8 16,56 215,8 18,93 240,5 21,09 262,0 22,98 313,8 27,52 354,0 31,05 392,3 34,41 456,0 40,00 514,9 45,16 547,3 48,00 620,6 54,43 665,1 58,34 760,1 66,67 834,6 73,20 919,4 80,64 1093 95,87 1231 108,0 1373 120,4 1594 139,8 1804 158,2 1986 174,2 2161 189,5 2599 228,0 2876 252,3 3126 274,2 32,61 286,0 3727 326,9

90,72 5,55 103,0 6,31 113,2 6,92 124,1 7,60 130,01 7,96 150,9 9,24 170,8 10,46 186,7 11,43 203,2 12,44 230,2 14,09 245,2 15,01 261,8 16,03 295,1 18,07 311,1 19,05 355,5 21,77 391,3 23,96 429,8 26,32 514,9 31,53 578,6 35,43 647,3 39,63 750,3 45,95 845,9 51,80 901,9 55,22 1020 62,46 1073 65,70 1226 75,01 1367 83,70 1480 90,62 1790 109,6 2020 123,7 2231 136,6 2599 159,1 2942 180,1 3236 198,1 3494 213,9 4217 258,2 4668 285,8 5057 309,6

199,1 6,82 225,6 7,72 249,9 8,56 271,2 9,29 285,3 9,77 333,2 11,42 373,1 12,78 409,8 14,04 445,9 15,28 505,4 17,32 539,4 18,48 577,9 19,80 652,8 22,37 686,5 23,52 784,6 26,88 881,7 30,21 924,4 32,29 1128 38,65 1275 43,68 1412 48,38 1648 56,46 1863 63,83 1983 67,94 2230 76,40 2360 80,52 2697 92,41 2970 101,7 3264 111,8 3923 134,4 4413 151,2 4855 166,3 5688 194,9 6424 220,1 7110 243,6 7769 266,2 9317 319,2

125

150

175

200

225

250

300

360,4 7,90 407,0 8,92 450,3 9,87 491,9 10,79 519,2 11,38 604,6 13,26 674,2 14,78 739,9 16,22 804,5 17,64 911,8 19,99 968,5 21,24 1038 22,76 1172 25,70 1270 27,85 1451 31,82 1556 34,12 1701 37,30 2040 44,73 2305 50,54 2250 55,92 2976 65,26 3334 73,11 3589 78,70 4045 88,70 4291 94,09 49,04 107,5 5422 118,9 5884 129,0 7710 155,9 8042 176,3 8827 193,5 10249 224,7 11524 252,7 12700 278,5

598,2 9,16 662,0 10,13 735,5 11,26 804,5 12,31 845,3 12,94 979,7 15,00 1101 16,85 1207 18,48 1315 20,13 1490 22,81 1579 24,17 1699 26,01 1908 29,21 2017 30,88 2305 35,28 2456 38,97 2767 42,36 3330 50,97 3727 57,05 4148 63,50 4879 74,69 5492 84,07 5867 89,81 6620 101,3 6994 107,1 7993 122,3 8817 135,0 9792 149,9 11622 177,9 13044 199,7 14368 219,9 16672 255,2 18879 289,0 20841 319,0

890,0 10,05 1005 11,34 1108 12,51 1209 13,65 1279 14,44 1478 16,68 1663 18,77 1823 20,,58 1977 22,32 2240 25,29 2403 27,13 2544 28,72 2896 32,69 3046 34,39 3482 39,31 3819 43,11 4183 47,22 5051 57,02 5757 64,76 6277 70,86 7355 83,03 8336 94,11 8844 99,84 10022 113,1 10512 118,7 12014 135,6 13296 150,1 14481 163,5 17457 1971,1 19370 218,7 21282 240,2 24518 276,8 27461 310,1

1275 10,94 1437 12,33 1678 14,40 1733 14,87 1823 15,64 2118 18,18 2382 20,44 2595 22,27 2836 24,34 3215 27,59 3383 29,03 3634 31,19 4091 35,11 4291 36,83 4904 42,09 5422 46,53 6068 52,08 7208 61,86 8189 70,28 9072 77,86 10543 90,48 11867 101,8 12697 109,0 14251 122,3 15017 128,9 17163 147,3 19332 165,9 20917 179,5 25254 216,7 28441 244,1 31384 269,3 36532 313,5

1755 11,94 1966 13,37 2183 14,85 2390 16,26 2497 17,00 2913 19,82 3281 22,32 3597 24,47 3908 26,59 4429 30,13 4707 32,02 5035 34,26 5631 38,31 5921 40,28 6767 46,04 7544 51,33 8275 56,30 9905 67,39 11278 76,73 12406 84,40 14417 98,09 16280 110,8 17426 118,5 19584 133,2 20595 140,1 23538 160,01 26357 179,3 28595 194,5 34571 235,2 39229 266,9 43152 293,6

2329 12,77 2623 14,38 2904 15,92 4172 17,39 3346 18,34 3884 21,29 4338 23,78 4781 26,21 5172 28,35 5861 32,13 6228 34,14 6655 36,48 7493 41,08 7852 43,04 8974 49,19 10090 55,31 11033 60,48 13240 72,58 14858 81,45 16476 90,82 19173 105,1 21576 118,28 23074 126,5 25974 142,4 27461 150,5 31384 172,0 34750 190,5 37697 206,6 45604 250,0 51489 282,3 57373 314,5

3800 14,54 4276 16,36 4715 18,04 5149 19,07 5406 20,69 6267 23,99 7057 27,01 7741 29,62 8367 32,02 9482 36,29 10052 38,47 10639 40,71 11999 45,92 13087 50,08 14956 57,24 16503 63,16 18021 68,97 21625 82,76 24469 93,64 26970 103,21 31384 120,1 35307 135,1 37785 144,6 42616 163,09 44194 169,1 50508 193,3 56581 216,5 62522 239,3 75026 287,1 85324 326,5

x = capacidad kg/h

Información adicional Esta publicación ha sido realizada con el fin de proporcionar una guía de referencia técnica a todos aquellos ingenieros que trabajan trabaj an en el campo de las instalaciones de vapor. Es imposible cubrir con estas páginas todas las particularidades de las instalaciones de vapor, puesto que cada caso es único y el abanico de soluciones que se pueden plantear son múltiples, no siendo siempre evidente cuál de las soluciones es la más adecuada. Como consecuencia, consecuencia, y habiendo tratado de exponer las directrices generales a seguir en el diseño de las instalaciones de vapor más comunes, ponemos nuestro equipo de ingenieros locales a su disposición, con el fin de proporcionarle la máxima colaboración en aquellos puntos particulares de cada instalación que le puedan ser de interés.

Spirax-Sarco S.A. Ruta Panamericana Colectora Este Nº 24951 (B1611DFB) Don Torcuato, Buenos Aires, Argentina Tel: (+54 11) 4741 6100 Fax: (+54 11) 4741 7711 E-mail: [email protected] ar.Sp iraxSarco. arco.com com Internet: www.spiraxsarco.com/ar

GUÍA TÉCNICA DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE GENERADORES DE VAPOR

FICHA TÉCNICA JURISSSTE Denominación: Guía Técnica de Operación y Mantenimiento de Generadores de Vapor Fuente:

Instituto de Seguridad y Servicios Sociales de los Trabajadores del Estado

Elaboró:

Subdirección de Conservación y Mantenim Mantenimiento iento de la Subdirección General Médica

Fecha de expedición:

1° de agosto de 2002

Fecha de entrada en vigor: 1° de agosto de 2002

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE GENERADORES DE VAPOR

ÍNDICE Descripción............................................................ Descripción..................................... ..................................................... ............................................... ................. 4 Componentes Principales ....................................................... ................................................................................ ............................. .... 5 Equipos Auxiliares Auxiliares para el Sistema de Generación de Vapor .............................. .............................. 6 Mantenimiento Preventivo Tubos de de Agua................................................ Agua........................................................... ........... 8 1. Servicio Diario .................................................... ................................................................................... ....................................... ........ 8 2. Servicio Semanal................................................ Semanal.............................................................................. ....................................... ......... 10 3. Servicio Quincenal................................................... Quincenal................................................................................. .................................. .... 15 4. Servicio Mensual ..................................................... ................................................................................... .................................. .... 17 5. Servicio Semestral o Anual............................... Anual.............................................................. ......................................... .......... 18 Tipo Tubos de Humo Humo ..................................................... ................................................................................... ...................................... ........ 19 1. Servicio Quincenal................................................... Quincenal................................................................................. .................................. .... 19 2. Servicio Mensual ..................................................... ................................................................................... .................................. .... 19 3. Servicio Semestral o Anual............................... Anual.............................................................. ......................................... .......... 22 Control de Mantenimiento para el Equipo Completo Completo ............................................ ............................................ 25 Principales Medidas de Seguridad en los Generadores Generadores de Vapor (o Calderas)... 27 Recomendaciones para el buen Funcionamiento ................................................ ................................................ 28 Fallas Más Comunes................................................ Comunes............................................................................... ............................................ ............. 30

3

SUBDIRECCIÓN GENERAL MÉDICA SUBDIRECCIÓN SUBDIRECCIÓN DE CONSERVACIÓN CONSERVACIÓN Y MANTENIMIENTO MANTENIMIENTO


DESCRIPCIÓN Generador de Vapor o Caldera Es un recipiente cerrado el cual, por medio de calor producido por un combustible al quemarse, transforma el agua que contiene en vapor a una presión mayor que la atmosférica.

Los generadores de vapor se pueden clasificar en dos tipos, de acuerdo a la forma en que transmiten el calor:

A. Pirotubulares o tubos de humo: Son aquellos generadores en que el fuego (los gases calientes de la combustión) es conducido a través de unos tubos metálicos llamados fluxes. Por su parte exterior, los fluxes están en contacto con el agua, de tal manera que permiten el calentamiento de ésta hasta producir el vapor que cumpla con las características deseadas. Estas calderas se encuentran comúnmente en las unidades hospitalarias. 4



B. Acuotubulares o tubos de agua: En este tipo de caldera, la flama está en el espacio interno del equipo (llamado hogar) y el agua circula por el interior de los fluxes, el fuego calienta los tubos y, por contacto, el agua que está pasando por ellos.

COMPONENTES PRINCIPALES A. Conjunto del Quemador: Al accionar un interruptor eléctrico (prender el equipo), este dispositivo hace que se produzca una chispa entre los electrodos originada por el alto voltaje que produce un transformador (mismo fenómeno que produce el rayo atmosférico). Así, se enciende el piloto, se abre el paso de combustible y de aire para que encienda la flama, y una vez que la fotocelda verifica lo anterior, se mantiene en funcionamiento. El conjunto del quemador comprende las boquillas, los electrodos, la fotocelda y el cañón quemador. B. Control de nivel del agua: Verifica que el nivel del agua dentro de la caldera sea un nivel seguro para que ésta encienda. Durante la operación, vigila y corrige errores; si baja el nivel, envía una señal a la bomba de alimentación para que arranque e inyecte más agua, si continúa bajando, por seguridad envía otra señal al quemador para que se apague y no permite que se encienda hasta tener un nivel seguro; y en caso de que suba el nivel del agua, envía una señal para que se pare la bomba. El sistema de control de nivel del agua comprende del cristal de nivel visual, grifos de prueba del cristal de nivel, columna de nivel y control de nivel de agua. C. Bomba de inyección de agua: Al bajar el agua del nivel mínimo de operación, recibe la señal del control de agua y arranca, tomando agua del tanque de condensado e introduciéndola a la caldera; en cambio, cuando sobrepasa un nivel de seguridad prefijado, también se apaga para no exceder el nivel de operación y ahogar la caldera. D. Cuerpo de la caldera: En el interior de la caldera se encuentra el hogar (espacio donde se lleva lleva a cabo la combustión) y los tubos fluxes, donde se lleva a cabo el calentamiento del agua, ya sea interior o exteriormente, y tiene un aislamiento interior y exterior para evitar pérdidas de calor y quemaduras al personal. También cuenta con tapas y registros para permitir el acceso para darle mantenimiento. Comprende de tubos fluxes, material refractario, mamparas (no siempre), empaques y tapón fusible (solamente en el caso de las calderas de tubos de humo). 5



E. Sistema de combustible: Este sistema mantiene la alimentación de combustible adecuada para la combustión que se realiza en el hogar de la caldera. Comprende tuberías, filtros, bomba de combustible y válvula solenoide. F. Sistema de aire: Este sistema es el elemento primordial para mantener una combustión. Debe ser regulado de acuerdo al consumo de vapor y en proporción adecuada al combustible, para mantener la flama con una combustión no contaminante y económica. Comprende la malla del ventilador, el ventilador y las varillas de ajuste para el modutrol (modulador de entrada el aire). G. Controles eléctricos: El programador es el cerebro de la caldera, ya que se encarga de efectuar la secuencia adecuada del encendido y apagado del equipo. En este sistema existen auxiliares de arranque y paro por presión (presostato), a partir de una presión establecida (presuretrol). Envía una señal para modular la flama, variando la entrada de aire a través del modutrol. Comprende del control programador, presostato, presuretrol, control de nivel de agua, modutrol y alarma.

EQUIPOS AUXILIARES PARA EL SISTEMA DE GENERACIÓN DE VAPOR A. Equipo de suavización de agua: Convierte el agua común en agua “blanda”, la cual puede ser utilizada para alimentar la caldera. Por su importancia, este equipo se tratará por separado en otra guía de operación. B. Tanque de retorno de condensados: Es un recipiente que contiene el agua de alimentación a la caldera y debe de cumplir con tres funciones primordiales: •

•

•

Mantener una reserva mínima de agua, suficiente para alimentar a la

caldera durante 20 minutos; esto determina las dimensiones que debe tener. Recuperar el agua suave de los retornos de los condensados. Para mantener económica la producción de vapor, debe recolectarse el condensado, ya que es agua suavizada y calentada, que tiene un costo extra en su producción y por lo tanto no debe desperdiciarse. Precalentar el agua de alimentación a la caldera. El agua de alimentación a las calderas debe estar a la mayor temperatura posible para evitar daños internos a la caldera al introducirle agua “fría”, y además por economía, para gastar menos combustible al elevar la temperatura del agua para 6



convertirla en vapor. Cuanto más caliente se le introduzca el agua, más aumenta la capacidad de la caldera.

C. Tanque deareador o desaereador Cuando las calderas instaladas sobrepasan de 200 caballos caldera, para producción de vapor, se justifica la utilización de este tipo de tanque, que cumple con las mismas funciones del del tanque de condensados, además de que remueve el excedente de aire y los gases corrosivos (oxígeno, bióxido de carbono) a través de un deareador que se instala en su interior para crear corriente de vapor que obligue a salir por el venteo (puede ser automático o manual).

7



MANTENIMIENTO PREVENTIVO TUBOS DE AGUA 1. SERVICIO DIARIO a) Girar la manija manija del filtro de combustible (generadores que usan combustible diesel) (Figura #1). b) Durante la operación normal y siempre a una misma presión de vapor, anote en la bitácora las lecturas de los manómetros de presión de vapor, de alimentación al generador, trampa de vapor y de combustible. c) Compruebe que el agua de alimentación alimentación al generador reúna las siguientes características: • • • • • •

Dureza: 0 G.P.G. menos de 0 p.p.m Alcalinidad: 10.5 pH mínimo y 11.5 pH máximo Desgasificación: O2 y CO2 Exceso de Sulfitos: 50 - 100 p.p.m. Límite de sólidos disueltos: 3000 - 8000 p.p.m. Sólidos en suspensión: 0

d) Tome una muestra del agua abriendo la válvula de muestreo de la la bomba de agua de alimentación al generador. Mida la dureza del agua, el valor de P.H., la cantidad de sólidos disueltos totales y la cantidad de sulfitos residuales. Anote los valores obtenidos en la bitácora de operación. e) Agregue al tanque de reactivos la la cantidad de compuesto recomendado por el fabricante. Anote la cantidad y hora de ajuste de la bomba dosificadora en la bitácora. f) Anote la hora en que se realiza la purga y deshollinando (sólo en generadores a diesel). g) Si la unidad opera continuamente, purgue el sistema cada 8 horas de operación. Es necesario enfatizar que la purga es una obligación en la rutina del mantenimiento diario. h) Al finalizar la jornada de cada trabajo o cada cada 8 horas de operación se debe debe drenar una cuarta parte del volumen de agua contenida en el tanque de condensados. 8



Figura 2- Calentamiento, desgasificación y tratamiento de agua de alimentación

9



2.- SERVICIO SEMANAL: A. Limpieza del quemador: a) Desconecte la tubería del combustible. Quite los cables y mariposas que sujetan al quemador. b) Desármelo, limpie y raspe todo el carbón depositado en el quemador y electrodos. Saque sólo las boquillas (sólo calderas de diesel), desármelos y límpielos con gasolina o solvente.

c) Revisar que el orificio de la boquilla no tenga basura que lo obstruya; de ser así, destaparlo con aire o lavar las boquillas con algún solvente. No use instrumentos cortantes para limpiar las boquillas, una leve ralladura puede afectar la atomización del combustible. d) Por precaución se recomienda quitar las boquillas de una en una para que no se pierda el orden de colocación, ya que dependiendo del modelo de caldera que se tenga, las boquillas de fuego alto son diferentes a las de fuego bajo. e) Verifique que la mezcla de aire y combustible es la adecuada, observando los porcentajes de bióxido de carbono (CO 2), oxígeno (O2) y monóxido de carbono (CO) de los gases de combustión. Utilice para el efecto un aparato Orsat o una de sus variantes. El porcentaje de oxígeno deberá variar de 1 a 4%; el monóxido de carbono no deberá existir y el porcentaje de bióxido de carbono se da en la siguiente tabla: 10



Grado

Gas Natural

Aceite No. 2

Excelente Bueno Regular Pobre

10.0 9.0 8.5 8.0 o menos

12.8 11.5 10.0 9.0 o menos

Aceite No.6 Petróleo pesado chapopote 13.8 13.0 12.5 2.0 o menos

f) Después de limpiar perfectamente las partes del quemador, vuelva a armarlo de acuerdo a las medidas y tolerancias correspondientes. Monte el quemador en la unidad, arranque y compruebe la respuesta de la celda fotoeléctrica o detector de flama. B. Flujo de la purga automática: Cierre la válvula de descarga de la purga y abra la válvula de prueba de la purga automática. Mida la descarga durante un período medido de tiempo. Note que el flujo sólo ocurre cuando abre la válvula de la trampa de vapor. La medición debe incluir la apertura y cierre para obtener un promedio. El flujo de descarga debe estar de acuerdo a lo recomendado por el fabricante. C. Prueba del interruptor interruptor auxiliar del termostato: Con la unidad operando a su presión normal de trabajo, lentamente gire la perilla del ajuste de control hacia una temperatura menor hasta que se interrumpa. Anote esta lectura y reajuste la perilla a 50 ºF (28 ºC) arriba de la temperatura que anotó, arranque la unidad. D. Prueba del interruptor interruptor del termostato: termostato: a) Esta prueba debe realizarse invariablemente cada 100 horas de operación. El tiempo máximo es de 60 segundos para que apague el quemador. b) Mantenga la caldera operando a su capacidad normal, durante dos dos horas mínimo. c) Regule la válvula válvula de descarga de vapor, vapor, para que el equipo se mantenga en operación continua (sin que pare por presión).

11



d) Con la unidad operando a presión normal de vapor, cierre la válvula de alimentación a la bomba de agua y abra la válvula de purga de agua. e) Con el quemador aún encendido abra la válvula del drene separador y empiece a contar el tiempo. f) Cierre progresivamente la válvula válvula de descarga de vapor, de tal manera que la presión de vapor permanezca entre 5 y 10 lbs/plg 2 abajo del punto de corte, lo que permitirá que el quemador permanezca encendido. Después que la válvula de descarga de vapor esté totalmente cerrada, no la vuelva a abrir hasta completar la prueba. Si el termostato está en correcto ajuste, el quemador se apagará dentro de los 60 segundos posteriores a que se han abierto las válvulas de purga de la unidad y drene del separador de vapor.

PRECAUCIÓN: Si el quemador no se apaga dentro de un máximo de 60 segundos, apáguelo usted abriendo la válvula de control del quemador (en el caso de calderas diesel) y cerrando el grifo principal a gas (en el caso de calderas a gas), o si el interruptor auxiliar del termostato para motor, antes de terminar la prueba, reajuste el interruptor del termostato hasta obtener el control adecuado. Realice esta prueba nuevamente y verifique que apaga el quemador entre 45 y 60 segundos. E. Ajuste del interruptor del termostato: a) Mantenga la caldera operando a su capacidad capacidad normal durante dos horas mínimo. b) Abra la válvula de descarga de vapor, de manera que el equipo trabaje en forma continua sin que se corte por presión. c) Gire la tuerca de ajuste del interruptor del termostato en sentido de las manecillas del reloj hasta que el interruptor se dispare y el quemador se apague. d) A continuación regrese la tuerca de ajuste (apretándola) unos tres cuartos de vuelta; restablezca el interruptor y efectúe la prueba del termostato en la forma antes indicada.

12



e) Repita esa operación realizando los ajustes pertinentes tantas tantas veces como sea necesario, hasta que la acción del termostato interrumpa la operación del quemador en el tiempo indicado, de 45 a 60 segundos. F. Ajuste del canal circular del termostato: a) Este ajuste debe hacerse cuando reinstale la la unidad de calentamiento o si el montaje original ha sido afectado en alguna forma. También debe hacer una cuidadosa revisión del ajuste si el interruptor del termostato no puede ajustarse sin una respuesta errática. Es necesario que, dentro de la rutina de mantenimiento, se programe la revisión del ajuste del canal circular del termostato, pues en algunas ocasiones la vibración puede desajustarla y de esta forma no operaría el control del termostato. b) Asegúrese de que los platillos guía están fuertemente asegurados a las bridas de la parte superior y frontal de la unidad de calentamiento; también asegúrese de que la solera se amarre y esté fuertemente asegurada al canal circular. c) Afloje las contratuercas y apriete fuertemente el perno ancla en el tope situado atrás del tubo circular del termostato. Con los tornillos de ajuste de canal circular aflojados y para que el canal se mueva libremente, ajuste las contratuercas de la parte trasera del canal, hasta un punto en que el espacio entre el canal y el aislamiento de la unidad sea aproximadamente igual atrás y enfrente. Ajuste los tornillos de ajuste del canal hasta que el punto de separación entre el canal y el aislamiento sea aproximadamente igual a la de los lados. Elimine todo el juego lateral con los pernos de carga, evitando hacer excesiva presión sobre los mismos. d) Revise el alineamiento de los hoyos del vástago de ajuste en la solera de amarre y en la placa guía frontal . Puede ser necesario hacer girar el canal circular para alinear estos hoyos. Después de que se ha hecho el alineamiento, asegure fuertemente las contratuercas de atrás del canal. e) Reajuste los tornillos de ajuste del canal para centrar el canal circular en relación con el aislamiento de la unidad de calentamiento y recargarlo con los pernos de carga lo suficiente para compensar el juego. Luego apriete cada tornillo de ajuste, de media a una vuelta adicional, para dejar 13



compensado adecuadamente el canal; luego asegure las contratuercas. Los tornillos de ajuste deben colocarse aproximadamente en el centro de los pernos de carga. f) Revise la separación entre el canal circular y el aislamiento de la la unidad de 1 calentamiento. Debe haber una separación mínima de /16” (1.59 mm) entre el canal circular y la cubierta exterior cuando coloque la coraza exterior sobre la base del quemador. Instale el perno de ajuste , la tuerca de ajuste, el soporte, la rondana, el resorte y el interruptor. Haga el ajuste del interruptor del termostato. G. Drene total del tanque de condensados. H. Limpieza del filtro de combustión: Un cambio repentino de la presión de combustible puede indicar que las partículas acumuladas están restringiendo el flujo. Cambie el elemento de filtración de acuerdo a la cantidad de impurezas que contenga el combustible que esté usando. Saque el tapón colocado en la parte inferior del filtro y drénelo hasta eliminar los lodos acumulados, luego monte nuevamente el tapón.

I. Enjuague de las cabezas cabezas y columnas de la bomba de agua: Quite el tapón de drene de la bomba de agua situado en una de las cabezas de la bomba de agua; espere hasta que salga agua limpia, luego siga el mismo procedimiento con la otra cabeza de la bomba.

14



En caso necesario, use un alambre para sacar los sedimentos. Se deberá operar la bomba de agua y cerrar la válvula de alimentación de la caldera para promover la presión necesaria que ayude a eliminar los sedimentos. J. Sopletear con aire comprimido comprimido los controles eléctricos. K. Comprobar la tensión de las bandas (si las tiene). L. Revisar el nivel de aceite de la bomba de agua.

3.- SERVICIO QUINCENAL A. Regenerado del suavizador de agua: El regenerado de la resina se lleva a cabo colocando la palanca de la válvula múltiple en la posición 2 y abriendo la válvula de salmuera situada sobre la tapa del tanque de salmuera.

B. Prueba del control electrónico electrónico de seguridad: Simule una falla desconectando el cable de la celda fotoeléctrica o detector de flama. Si no se obtiene esta respuesta, el control electrónico podría estar defectuoso y se deberá cambiar. 15



C. Limpieza del filtro de agua: Cierre la válvula de alimentación a la bomba de agua. Saque el tapón del filtro de agua y saque la malla. Límpiela perfectamente, móntela y reinstale el tapón. Abra la válvula de alimentación a la bomba de agua. D. Limpieza del rotor del ventilador: Quite la tapa de la caja del ventilador. Muévala de un lado a otro hasta limpiar la superficie de todas las aspas, luego ponga la tapa en la caja. E. Limpieza de la purga automática: Abra el grifo de drene de la purga automática y el grifo de la “T” en la base de la válvula. Drene hasta que salgan los lodos acumulados. Podría ser necesario desmontar la válvula y limpiarla. F. Prueba de la válvula de seguridad (prueba tentativa): a) Ajuste el interruptor de presión de vapor para que exceda el punto de disparo de la válvula de seguridad. b) Deje que la presión aumente cerrando la válvula de descarga de vapor hasta que la válvula dispare. Si no dispara al excederse la presión de ajuste, abra inmediatamente la válvula de descarga de vapor e instale otra válvula de seguridad. Después de la prueba, reajuste el interruptor de presión de vapor a su presión de trabajo original. G. Corregir las fugas que se observen. H. Limpieza general de todo el equipo. I. Verificar la modulación automática (cambio de fuego bajo o fuego alto y viceversa). J. Revisar el estado de las las válvulas solenoides y verificar su operación.

16



4.- SERVICIO MENSUAL A. Presión de la válvula del quemador: Conecte la manguera de una columna de agua en el niple de 1/8” (pulg.) provisto a la izquierda de la voluta. Compare la lectura actual con las lecturas anteriores. Una lectura 10% menor, podría indicar la necesidad de limpiar las aspas del ventilador. B. Interruptor de nivel de aceite de la la bomba de agua: Quite la cubierta del interruptor y manualmente mueva el brazo del flotador hacia arriba y hacia abajo. Este control tiene una carrera de 3 centímetros, en ambos sentidos, para interrumpir por falta o exceso de nivel. Normalmente el brazo debe estar en posición horizontal. Si durante la operación el brazo interrumpe en su posición superior, podría ser indicación de rotura de algún diafragma de la bomba de agua. C. Temperatura de la chimenea: chimenea: Observe y registre la temperatura del termómetro montado en la chimenea. Compárelo con las lecturas anteriores. Si registra un aumento de 50 ºF (28 ºC) podría ser indicación de hollinamiento o incrustación de la unidad. La temperatura también puede verse afectada por algún cambio en la temperatura del agua de alimentación. D. Limpiar y asentar las válvulas de retención de la bomba de agua de la siguiente manera: a) Desatornille un tapón de las válvulas de retención junto con un disco y resorte; no desmonte las piezas. Revise que el asiento no esté muy marcado (achatado o con fisuras). Asiente el disco con una lija de agua del Nº 360 ó 400, para lo cual prevéase de un vidrio plano para apoyar la lija. b) Empiece a asentar el disco de tal forma que dibuje un número 8 (esto con el fin de que el desgaste en el disco sea uniforme). Continúe con ésta operación hasta que la marca del asiento en el disco desaparezca. c) Después de esto, coloque la la válvula en su sitio y repita la la misma operación con las demás válvulas (sacándolas una por una). 17



PRECAUCIÓN: Los resortes de las válvulas de admisión son mas cortos que los de las válvulas de descarga. Tenga cuidado de no intercambiarlas, ya que esto ocasionará deficiencia en el bombeo de agua. E. Válvula de alivio: Compruebe que la válvula de alivio de la bomba de agua abra a 600 lbs/plg 2 (42 kg/cm2), estrangulando la válvula de alimentación a la caldera. Luego ábrala totalmente. F. Revise las bandas y polea del motor: Para alinear, quite el cubre banda y afloje los pernos de montaje que fijan el motor al chasis. Las poleas deben estar muy bien alineadas para evitar el desgaste excesivo de la banda. G. Determinación de incrustación: a) Compare las lecturas de las presiones de descarga de vapor y agua de alimentación. También la presión de alimentación con la registrada en el arranque inicial del equipo. b) Para efectos de comparación, el registro de presiones debe hacerse siempre a una misma presión de vapor y temperatura de agua de alimentación. Si la presión de alimentación es 30 lbs/plg 2 (0.2 Kg/cm) o más que la presión registrada cuando el generador era nuevo, la unidad está incrustada. El descuido en la regeneración del suavizador o falla en el programa de purga es generalmente el motivo que causa la incrustación de la unidad.

5.- SERVICIO SEMESTRAL O ANUAL A. Drene el aceite de la bomba de agua, reponiendo con aceite nuevo. B. Cambie las boquillas, fotoceldas (en quemador diesel) o detector detector de flama (en caldera de gas). C. Instale diafragmas nuevos en la bomba de agua. 18



D. Desarme y limpie el interior interior de la trampa de vapor. E. Agregue aceite o grasa a todos los los mecanismos del equipo que estén sujetos a lubricación periódica.

TIPO TUBOS DE HUMO Se siguen los mismos pasos anteriores pero además se considera lo siguiente:

1.- SERVICIO QUINCENAL A. Mantenimiento de la unidad de combustión con con diesel: a) Filtros de aceite Los filtros de combustión deberán ser limpiados frecuentemente, manteniéndolos libres al permitir flujos continuos y correctos, y limpiando continuamente las canastillas. b) Tratamiento de combustión Dependiendo de la cantidad de combustible, el cual puede variar cada vez que se surte de nuevo, puede llegar el caso en que sea necesario utilizar un aditivo para obtener una buena combustión. Se recomienda evitar el uso de aditivos en el mayor grado posible. El tanque de almacenamiento de combustible se deberá revisar periódicamente y, en caso de ser necesario, hacer una limpieza extrayendo todo tipo de depósitos en el mismo.

2.- SERVICIO MENSUAL A. Controles eléctricos: a) Verifique que las conexiones estén bien apretadas y mantenga siempre limpios los controles. Remueva el polvo utilizando baja presión de aire, teniendo en cuenta que el aire puede llagar a dañar los mecanismos. b) Examine las cápsulas de mercurio, así como los los interruptores. En el caso de que las primeras se dañen (la superficie no brillará como normalmente lo 19



deben hacer), reemplace de inmediato la cápsula dañada. Asegúrese de nivelar este tipo de controles perfectamente. Aproveche, en caso necesario, para limpiar la tubería que llega hasta éste tipo de controles. De ninguna manera quite las tapas de los contactos. c) La mugre y el polvo pueden causar recalentamiento en en los arrancadores y relevadores. Los contactos de los arrancadores son normalmente de color plateado y estos pueden decolorarse sensiblemente sin ningún perjuicio. No use material abrasivo como lija para las limpiezas, ya que éstas rebajarán la superficie de contacto metálico. Límpielos cuidadosamente por medio de papel cartulina. B. Control programador: a) Requiere ocasionalmente de limpieza. No use materiales abrasivos y mantenga la puerta del tablero siempre cerrada, durante la operación. El detector de flama deberá ser limpiado de acuerdo a las condiciones de operación. Para ello, use una franela y, solamente en caso de ser necesario, humedezca con un poco de detergente neutral. Cuando se haga limpieza o se cambie un control programador, se deberá interrumpir la corriente principal de alimentación eléctrica. b) Lleve a cabo pruebas periódicas de revisión de funcionamiento del programador, verificando los diferentes paros por falta de ignición en el piloto, falla de flama o pérdida de flama. De la misma forma, durante éstas pruebas se deberá verificar que la válvula de alimentación de combustible selle completamente en su posición correcta. C. Revisión de falla de flama: a) Durante la operación normal de la unidad de combustión (quemador), cierre la alimentación de combustible principal para extinguir la flama principal. Una vez extinguida, el ventilador seguirá su período de posterga y en aproximadamente 30 segundos, se prenderá el foco piloto por falta de flama. b) Apague el quemador y restablezca el programador una vez que se haya enfriado. Vuelva a abrir la alimentación de combustible principal.

20



D. Válvulas solenoides (electro válvulas): válvulas): Cualquier material externo en el combustible en la válvula solenoide podrá impedir el sello de la válvula en su posición de cerrado, lo que causará fugas constantes. a) En caso de existir una fuga, será necesario desarmar cuidadosamente la válvula, inspeccionando las partes internas. b) Cuando la válvula tiene corriente, normalmente presenta un zumbido. En caso de que se tenga que cambiar la bobina, revise que no tenga corriente. La posición de la nueva bobina deberá ser siempre la inicial. E. Ventilador de de tiro forzado: a) Mantenga siempre limpia la rejilla de mantenimiento a las chumaceras, de acuerdo a las indicaciones del fabricante de chumaceras (baleros). b) Un cambio de posición en la geometría del rotor o del impulsor del ventilador cambiará automáticamente las características de operación del sistema de combustión. F. Válvulas de seguridad: a) La descarga de las válvulas de seguridad es de suma importancia ya que deberá ser guiada a un lugar seguro, tener libre movimiento y crecer en el diámetro de desfogue. Evite lo más posible que la válvula de seguridad opere, ya que al operar continuamente no sellarán correctamente, produciéndose fugas de vapor costosas. La reparación de una válvula de seguridad debe ser llevada a cabo solamente por el fabricante de la válvula de seguridad. b) Trate de mantener la presión de operación de la caldera lo más lejana posible del punto de ajuste de la válvula de seguridad. Es recomendable un diferencial mayor o igual al 10% cuando esto sea posible.

21



3.- SERVICIO SEMESTRAL O ANUAL A. Limpieza interior de los tubos de humo: Para poder pronosticar la necesidad de una limpieza de tubos de humo se puede observar la temperatura de los gases de combustión en la chimenea. Una caldera sucia por dentro perderá eficiencia y por lo tanto, aumentará la temperatura de los gases de la chimenea. a) Para efectuar la limpieza interior de una caldera, ésta deberá estar apagada, totalmente fría, sin agua en su interior y teniendo destapados todos los registros y cubiertas. b) Siempre que se vaya a destapar una caldera deberán cerrarse todas las válvulas de admisión y descarga de agua, vapor y combustible (habiendo drenado, purgado y soplado previamente la caldera y accesorios). c) Siempre que se pare o destape una caldera, deberá colocarse un letrero perfectamente visible que diga claramente “Fuera de Servicio”. En las calderas de tubos de humo, el casco se limpia para eliminar las incrustaciones, y el interior de los tubos es limpiado para quitarle el hollín y otros residuos de la combustión. d) Al hacer la limpieza abra las dos puertas, la frontal y la trasera. Cepille la tubería por dentro, limpiando cuidadosamente todo tipo de cenizas y depósitos que se encuentren tanto en el hogar como en los tubos del segundo y tercer paso. Las incrustaciones deben eliminarse lavando el casco de la caldera con agua a presión; el hollín del interior de los tubos se quita usando un escobillón que se introduce dentro de los tubos. El escobillón deberá ser de un diámetro apropiado al del los tubos. e) Siempre que se efectúe la limpieza interior de una caldera, deberán observarse cuidadosamente las planchas y los tubos para ver si hay picaduras, aflojamiento, roturas o sedimentos. De lo anterior se podrá concluir si la caldera debe ser reparada o si puede seguir operando, y además se sabrá si el agua de alimentación ha sido debidamente tratada. f) Las boquillas de un quemador de diesel de atomización atomización mecánica se deberán cambiar cada 6 meses. 22



Después de este período de tiempo, las boquillas por erosión mecánica, no tendrán el orificio exacto calculado para una operación eficiente. No se deberán limpiar por medios mecánicos, ya que cualquier desgaste en el orificio dará como resultado una combustión incorrecta. Es recomendable tener un juego de boquillas de quemador como parte de repuesto. B. Control de nivel de agua y superficie de transferencia del lado de agua del generador: La mayoría de los daños mayores a un generador resultan de un bajo nivel de agua o del uso incorrecto de un tratamiento de agua. a) Cerciórese continuamente, durante la jornada de operación, del nivel de agua en la caldera. Purgue periódicamente a la columna de agua en la caldera. Verifique periódicamente las muestras de agua en la caldera y en los condensados para poder determinar el estado interno de la caldera, así como las medidas precautorias a ser llevadas a cabo. b) En caso de que el control de nivel de agua no opere opere correctamente, será necesario hacer una revisión minuciosa del mismo. Si por alguna razón éste no se puede corregir al 100%, se deberá cambiar por un nuevo control del nivel de agua. De cualquier manera, el nivel de control de agua se deberá revisar continuamente. c) Cualquier tipo de obstrucción en las tuberías tuberías o uniones que conecten al control de nivel de agua, debe ser anotado en la bitácora, supervisando la frecuencia del mismo. d) Todos los trabajos de control de nivel de agua agua deben ser anotados en la bitácora, supervisando la frecuencia de los mismos. e) Se deberá mantener siempre un programa mensual de purga de los controles de agua. C. Indicador de nivel nivel de agua: a) Cuando el vidrio indicador de nivel se decolore o se rompa se debe cambiar de inmediato.

23



Parte del programa de mantenimiento debe ser reemplazar periódicamente el vidrio indicador de nivel. Utilice siempre juntas nuevas al reemplazar el vidrio indicador de nivel (empaques de hule para cristal). b) Cierre las válvulas cuando se reemplace el vidrio indicador de nivel. c) En caso de que sea necesario, reemplazar el vidrio indicador de nivel mientras la caldera esta en servicio; purgue lentamente, aprovechando la purga para levantar lentamente la temperatura del nuevo indicador de nivel. Una vez calentado, cierre la válvula de purga y abra las válvulas del indicador de nivel por completo. d) Verifique que las válvulas siempre estén libres libres de impurezas y que estén montadas exactamente alineadas. D. Mantenimiento del aislamiento refractario: refractario: a) Las piezas rotas o quemadas deben cambiarse de acuerdo con las especificaciones e instrucciones del fabricante de caldera. b) Se recomienda que si el refractario se encuentra en buen estado o si sólo presenta pequeñas grietas, se aplique una capa de cemento refractario de consistencia cremosa; este procedimiento alargará la vida del refractario. c) La bombilla refractaria, colocada dentro del tubo cañón, tiene la función de la formación de la flama, guiando el aire secundario por las paredes de la boquilla, encontrando la geometría ideal de la flama dentro del tubo de combustión. Cuando la bombilla refractaria se encuentra dañada, la geometría de la flama cambia, bajando la eficiencia de la caldera y pudiendo dañar partes de la unidad de combustión.

24



CONTROL DE MANTENIMIENTO PARA EL EQUIPO COMPLETO PIEZA ACTIVIDAD FRECUENCIA CONJUNTO DEL QUEMADOR

Limpieza de boquillas Limpieza del quemador Ajuste de electrodos Revisar cable del transformador Limpieza de fotocelda Cambio de fotocelda Verificar combustión CONTROL DE NIVEL Verificar cristal de nivel Ajustar niveles de arranque y paro. Verificar grifos de prueba Limpieza de electrodos Revisión del flotador Limpieza interior de columna de nivel BOMBA DE INYECCIÓN Verificar temperatura de DE AGUA cojinetes Lubricación de cojinetes Empacar prensaestopa Verificar bujes (manguitos) Verificar alineación Revisar caja o cuerpo CUERPO DE LA Limpieza por el lado de agua CALDERA Limpieza de conexiones y tubería Revisión de fluxes Revisión de material refractario Lubricar birlos y pernos Cambiar empaques de registros Eliminar fugas Cambio de tapón fusible SISTEMA DE Eliminar fugas en tuberías COMBUSTIBLE Limpieza de filtro metálico Limpieza del filtro de la bomba Revisar tensión de bandas Revisar la alineación de la bomba Revisar partes internas Revisar caja o cuerpo

( ( ( ( ( ( ( ( (

15 15 90 90 30 180 180 30 30

) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días

( ( ( (

15 15 90 180

) días ) días ) días ) días

(

30

) días

( ( ( ( ( ( (

30 30 90 90 180 180 180

) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días

( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (

180 180 180 180 180 180 30 30 30 30 90

) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días

( (

180 ) días 180 ) días

25



PIEZA

ACTIVIDAD

SISTEMA DE AIRE

Limpiar malla del ventilador Verificar alineación del ventilador Revisar temperatura de baleros Lubricación del ventilador Cambiar baleros del ventilador Revisar tensión de las bandas Limpiar rotor del ventilador Corregir vibraciones Revisar tubería de ventilación Revisar válvula del flotador Limpieza del tanque Material aislante Limpieza de contactos Verificar controlador Revisar falla de flama Operar válvula de seguridad Revisar manómetros Asentar válvulas Pintura

TANQUE DE CONDENSADOS CONTROLES ELÉCTRICOS VARIOS

FRECUENCIA ( (

30 90

) días ) días

( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (

30 30 360 30 180 30 30 30 180 180 30 30 15 8 15 180 180

) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días ) días

26



PRINCIPALES MEDIDAS DE SEGURIDAD EN LOS GENERADORES DE VAPOR (O CALDERAS) ¿Alguna vez se ha imaginado que su caldera (Tubos de Humo) puede explotar totalmente? De ser así, ¿se ha imaginado la magnitud de la explosión?

Le vamos a dar una idea...

¡¡¡La energía que se libera en una explosión de una caldera de 100 C.C. (Caballos Caldera) equivale al impacto de una locomotora de 50 toneladas a una velocidad superior a los 500 Km/h!!! Para evitar este peligro, mantenga siempre un nivel visual de agua en el cristal de nivel, ya que la falta de agua puede causar un sobrecalentamiento que puede provocar la explosión de la caldera. Si por alguna circunstancia ajena a usted no existe agua en el nivel, PARE LA CALDERA, NO INYECTE AGUA, antes de verificar el nivel a través de los grifos de prueba y sobre todo, esté seguro de haber corregido el problema antes de arrancar nuevamente. Nunca reduzca el tiempo o elimine la fase del barrido de gases, ya que cuando existe combustible en el interior (sobre todo gas), al momento de la chispa sobreviene una explosión cuya magnitud dependerá del combustible acumulado, pudiendo ser peor que la explosión por sobre presión o sobre calentamiento. Pruebe periódicamente (se aconseja en forma mensual) el funcionamiento de las válvulas de seguridad, ya que su accionamiento oportuno en caso de emergencia puede salvar equipos y sobre todo vidas. Verifique que la calibración de ellas sea mayor que la presión de trabajo y menor que la presión de diseño del equipo; asimismo, verifique que en caso de que sea disparada, lo haga de tal manera que no cause daño al persona o equipo y, sobre todo, que el chorro no se dispare hacia la subestación eléctrica, en caso de ser así, instale tubería debidamente soportada que conduzca el chorro a un lugar inofensivo, cuidando de hacerle una pequeña perforación lo más cercana posible a la válvula y una pendiente hacia ella, con la finalidad de que se pueda observar cuando “lagrimea”, es decir que tiene fuga y ya no sella bien.

27



RECOMENDACIONES PARA EL BUEN FUNCIONAMIENTO 1. Que se alimente la caldera con agua suavizada, no permitir que se le introduzca agua cruda. La mayoría de los deterioros de una caldera son consecuencia de no darle tratamiento al agua. 2. Dar tratamiento químico interno al agua de alimentación a las calderas. Además de suavizar el agua, existen elementos tales como acidez, alcalinidad, hidróxidos, fosfatos, sulfitos, nitratos y sílice, los cuales deben mantenerse dentro de rangos permisibles de operación para evitar otro tipo de daños (corrosión, incrustación, fragilización y arrastres, entre otros). 3. Que no existan fugas en las tuberías de vapor y retorno de vapor. En una

caldera que opere a 7 Kg/cm 2 , al abrir una tubería de media pulgada de diámetro, se desperdicia medio kilogramo de vapor por cada segundo que esté abierta, y por cada C.C. tarda en producirlo aproximadamente 133 segundos, lo cual significa que se necesita una caldera de 133 C.C. de potencia para producir el vapor que se desperdicia por esa fuga. ¿Se imagina el costo de todas las fugas que hay en las líneas de vapor, es decir, el dinero que se desperdicia por costo de combustible, suavización de agua y depreciación de equipo?

4. Que no exista tubería sin recubrimiento térmico. Como ejemplo, una caldera

cuya presión de trabajo es de 7 Kg/cm 2, por cada metro lineal de tubería de media pulgada de diámetro que no tenga recubrimiento, en el lapso de una jornada laboral de 8 horas, se desperdician 0.125 C.C., y de una tubería de 4 pulgadas se desperdician 0.67 C.C. aproximadamente, por lo que la caldera debe de trabajar de más para mantener su potencia , sufriendo mayor desgaste y teniendo un desperdicio de combustible quemado en la línea de media pulgada de casi medio litro.

5. Verificar que no se forme hollín en los tubos fluxes. Esto se puede verificar a

través de la lectura del termómetro que mide la temperatura de la salida de los gases de combustión por la chimenea. En condiciones normales, no debe exceder de 83ºC de la temperatura de vapor. Una caldera que opere a 7 Kg/cm2, teóricamente producirá vapor a 165ºC de temperatura, por lo que el termómetro de la chimenea marcará 248ºC como máximo permisible; el incremento de temperatura que se detecte dependerá del grado de hollinamiento que tenga, o bien, si se encuentra en buenas condiciones, pese a la temperatura alta, significa que la caldera fue mal diseñada y desperdicia el calor. Una capa de hollín que tenga el grueso de su uña significa en forma aproximada una pérdida de eficiencia del 10% y un 3% de combustible no 28



aprovechado; si esa capa es del doble de su uña, significa una pérdida de eficiencia del 25% y un 7.5% de combustible combustible no aprovechado. ¿Se imagina imagina si es mayor? ¿Cuánto cuesta trabajar una caldera así? ¿Vale la pena? Esto es consecuencia de una mala combustión y se corrige carburando la caldera perfectamente con laboratorio electrónico, para garantizar resultados. 6. Que el tanque de condensados tenga recubrimiento térmico. Hay que evitar que se enfríe el agua de alimentación a la caldera, ya que entre más caliente esté el agua será más fácil subir la temperatura hasta los 100ºC, temperatura en que se inicia la evaporación; esto se refleja en un ahorro de combustible. 7. Establecer una bitácora de operación diaria. Que se asiente en cada cambio de turno, o bien, cada cada 6 horas de trabajo verificaciones efectuadas de los siguientes cambios: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j)

Presión de la caldera Presión del combustible en la bomba Checar nivel del agua Temperatura de los gases en la chimenea Efectuar prueba de bajo nivel Hacer análisis químico del agua, de la caldera y de los suavizadores Realizar las las purgas de fondo fondo necesarias Reportar dosificación de productos químicos químicos Checar nivel nivel de agua del tanque de condensados Temperatura del agua del tanque de condensados

29



FALLAS MÁS COMUNES SÍNTOMA No hay chispa

CAUSA

CORRECCIÓN

Mal ajuste de los electrodos Se carbonizan los electrodos

Transformador en mal estado Electrodos estrellados Línea aterrizada Hay chispa y combustible, Están desajustados los sin embargo no enciende electrodos y no hacen contacto con el combustible Ausencia de combustible Falta combustible en el en los inyectores tanque Válvulas de paso cerradas Filtro obstruido Tiene aire la bomba Bomba descompuesta Válvula solenoide descompuesta Boquillas obstruidas Tubería obstruida Mala verificación de flama Fotocelda en mal estado estado Ducto de fotocelda bloqueado Pantalla de fotocelda sucia Falso contacto Mala combustión Exceso de humo negro Fugas en registros

Ajustarlos correctamente Levantarlos para que no los bañe el combustible Repararlo o cambiarlo Cambiarlos Corregir el defecto

Ajustarlos para que hagan contacto Llenar el tanque Abrir las válvulas Lavar el filtro Purgar bomba de combustible Repararla Reparar o cambiar Limpiar el cedazo y el difusor Limpieza interior o reposición Reponer fotocelda Liberar de obstrucciones Limpiar la pantalla Checar zapatas y conexiones

Reducir proporción de combustible Exceso de humo blanco Reducir proporción de aire Están flojas las tuercas Apretarlas (sin presión en la caldera) Empaque defectuoso Cambiar empaque Asientos sucios con sarro Limpieza profunda y cambio de empaque 30



SÍNTOMA Fugas en conexiones Fugas en la purga

Fugas en estoperos

CAUSA

CORRECCIÓN

Conexión floja Los asientos en las válvulas están sucios Los asientos en las válvulas están desgastados Falta empaque grafitado

Fuga en la tapa posterior Fusible de seguridad fundido Lagrimean los tubos flux Ruptura interior de un tubo Fuga en el control de nivel Fuelle roto Empaques en mal estado Cuerpo poroso La bomba de agua no Se botó el interruptor inyecta y no funciona el termomagnético motor Switch manual abierto Bobina el arrancador magnético Platinos flameados Cápsula de mercurio rota Turbina de la bomba gastada Cuña de la flecha defectuosa Cople flexible en mal estado Válvula de retención defectuosa Tubería de acceso a la caldera está tapada Tubería de acceso al control de nivel está tapada

Poner cinta teflón y apretar Limpieza del asiento Asentarlos o cambiar válvula Colocar empaque y apretar (sin presión en la línea) Reponerlo por uno nuevo Rotarlos y expandirlos, o cambiarlos Reponerlo Cambiarlo por uno nuevo Cambiarlos Cambiar el control Restablecerlo o cambiar el relevador bimetálico Cerrarlo Cambiarla por una nueva Reponerlos por nuevos Cambiarla Cambiar la turbina Cambiarla Cambiarlo Cambiarla Limpiar obstrucciones Limpiar obstrucciones

31



SÍNTOMA

La caldera se llena completamente de agua

Falla en el control de presión

CAUSA

CORRECCIÓN

Flotador de control de nivel perforado Corto en la cápsula de mercurio Incrustamiento que obstruye al flotador Platinos muy flameados, no se desconectan, se quedan pegados Cápsula de mercurio carbonizada Fuelle de control de presión dañado Control de presión desnivelado Corto circuito en el alambrado Tubería de acceso al control obstruida

Reponerlo Cambiar la cápsula Limpieza interior Cambiar los platinos

Cambiar la cápsula Reponerlo Ajustar a lo deseado Reparar anomalía Efectuar limpieza de tubería

32


Éste documento fue actualizado el 1° de agosto de 2002. Para cualquier consulta o aclaración comunicarse al Depto. de Ingeniería Electromecánica a los teléfonos: 56-06-93-93 y 54-47-14-24 Ext. 13139.

Manual de Calderas y Tratamiento de Aguas

Recommend Documents