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Capitulo V Instalaciones de Vapor 2
Capitulo V Instalaciones de Vapor 2
Capitulo V Instalaciones de Vapor 2
Instalaciones de Vapor
Industrial
¿Cómo se obtiene el vapor?
La evaporación requiere
una cantidad importante
de energía y mientras se
está produciendo, el
agua y el vapor formado
tienen la misma
temperatura
Cuando el vapor libera
esta energía se convierte
en agua, sin cambio de
temperatura.
6 VaInGe-r_307
¿Para qué se usa el vapor?
Después de utilizarse como fuerza motriz, se descubrió que
el vapor también era muy eficaz como medio de
transferencia de energía calorífica
ENTALPIA ESPECIFICA
Presión Presión Volumen
manomé- absoluta Temp. Agua Evaporación Total específico
trica (bar) bar ºC kJ / kg kJ / kg kJ / kg m3 / kg
0 1 100 419 2257 2676 1.673
1 2 120.42 506 2201 2707 0.881
2 3 133.69 562 2163 2725 0.603
3 4 143.75 605 2133 2738 0.461
4 5 151.96 641 2108 2749 0.374
5 6 158.92 671 2086 2757 0.315
6 7 165.04 697 2066 2763 0.272
7 8 170.5 721 2048 2769 0.24
12
Calidad del vapor
Vapor Saturado
◦ No contiene gotas de agua líquida
Vapor Húmedo
◦ Contiene gotas de agua
◦ Aumenta la erosión y reduce la transferencia de calor
Vapor Sobrecalentado
◦ Temperatura por encima del vapor saturado
◦ Se utiliza habitualmente para turbinas
Es importante que el vapor utilizado para
procesos sea lo más seco posible
VaInGe-r_307
Condensación del vapor y Transferencia de calor
Cuando el vapor
condensa cede calor
(entalpía de evaporación)
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Eliminación de agua y aire en el vapor
Solución a los problemas de agua y aire:
◦ Purgadores
◦ Eliminadores
Son válvulas automáticas que abren en presencia de
agua o aire y cierran con vapor
Purgador Purgador
Marmita
Final tubería
15 VaInGe-r_307
Circuito típico de vapor
Marmita Vapor
Depósito con
serpentín
Intercambiador
Condensado
Vapor
Aportación agua
Alimentación Condensado
agua
Tanque alimentación
Caldera
Bomba.
16
Instalaciones de vapor
18
Calderas Pirotubulares
Gases de
combustión
Calor por el interior de los Vapor
tubos
Agua por el exterior de los Cámara de evaporación
tubos
Para presiones máximas de 2º paso (tubos)
20 bar y consumos hasta 30
T/h 1º paso (horno)
Son económicas, de alto
rendimiento y fácil Quemador
mantenimiento.
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Calderas Acuotubulares
Calor por el exterior de Vapor
los tubos
Agua por el interior de Domo superior
Agua
los tubos
Son más seguras
Se usan normalmente
para presiones altas.
Calor
Domo inferior
20
Equipamiento calderas
Los objetivos del
equipamiento de
una caldera son:
◦ Funcionamiento
◦ Seguridad
◦ Eficiencia.
21
Equipamiento por funcionamiento
Sistema control nivel de
agua
Bomba alimentación agua
Quemador combustible
Presostatos
Válvulas interrupción,
Manómetros, etc.
Equipamiento por seguridad
Indicadores de nivel
Alarmas de nivel
Válvulas de seguridad
Válvulas de retención
alimentación agua
Presostato
Normativas de construcción
y ubicación.
23
Indicadores de nivel
24
Alarmas de nivel
26
Tanque de alimentación - eficaz
Venteo
Cabezal
mezclador y
desaireador
Control de nivel
Agua de
Retorno de
aportación
condensados
Revaporizado
de las
purgas
Tanque alimentación
Control de
Sistema de
temperatura
recirculación
a Caldera
27
Producción de vapor
Agua de
alimentación
con impurezas Acumulación
de impurezas
en la caldera
Eliminación
de impurezas.
28
Producción de vapor (ejemplo)
¿Cómo evitarlo?
PURGANDO
¿Cuanto?
¿Cómo?
29 VaInGe-r_307
¿Cuanto purgar? (ejemplo)
Producción vapor:
Agua alimentación con: 10.000 kg/h
30
¿Cómo purgar la caldera?
Sistema Automático de Control de Sales
Sonda conductiva
Controlador
Válvula control
purga
Enfriador de muestras.
31
Purga de fondos temporizada
32
Agua con el vapor
Vapor de caldera
Separador
Eliminador
Aire Estación reductora presión
Distribuidor vapor
Sistema de purga
34
Dimensionado de tuberías
+ Coste
Sobredimensionada
+ Pérdidas calor
+ Condensado
+ Velocidad
Subdimensionada + Caída de presión
+ Erosión.
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¿Cómo elegimos el tamaño?
Considerando: Velocidad y Caída de presión
La velocidad del vapor no debe sobrepasar:
◦ En líneas principales 25 a 35 m/seg
◦ En derivaciones 20 a 25 m/seg.
La caída de presión no debe superar un determinado
valor, para asegurar que el vapor llega a los puntos de
consumo con la presión necesaria
P1 P2
Caudal vapor
36
Drenaje de tuberías
Vapor Separador
37
Golpe de ariete
Pandeo en la tubería
Condensado
Bolsa de condensado
Vibraciones y ruidos
causados por
golpe de ariete
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Inclinación y drenaje de tuberías
Flujo vapor
Inclinación 1/250
Vapor
Elevación
30 - 50m
Puntos de drenaje
39 VaInGe-r_307
Puntos de drenaje
Sección
Vapor
Correcto
Conjunto purgador
Pozo de goteo
Sección
Vapor
Condensado
Incorrecto. Conjunto purgador
40
Eliminación de aire
Eliminador
termostático de aire
Aire
Purgador
termodinámico
Condensado
41
Reducción en líneas de vapor
Correcto
Vapor
Condensado
Incorrecto
Vapor
42
Filtros en alimentación de vapor
Válvula de control
Filtro
Vapor
43
Conexión de las derivaciones
La conexión de una
derivación por la parte alta
de la tubería principal
asegura un vapor más seco
en el proceso.
Vapor Vapor
Condensado Condensado
Incorrecto Correcto
44
Drenaje de una derivación
• El condensado
Tubería principal
se acumula
Vapor delante de la
válvula cerrada
Válvula de y se introducirá
Interrupción con el vapor
cuando abra
• Es conveniente
el drenaje en el
punto bajo de
Conjunto de drenaje la derivación.
45
Compensación de dilataciones
Lira
46
Compensación de dilataciones
Fuelle
47
Pérdidas energéticas en tuberías de vapor
Presión 8 bar Presión 12 bar
Tamaño Sin aislamiento Con aislamiento Sin aislamiento Con aislamiento
tubería Euros/metro x mes (eficacia 80%) Euros/metro x mes (eficacia 80%)
Euros/metro x mes Euros/metro x mes
3/4" 3,43 0,69 4,51 0,90
1" 4,15 0,83 5,53 1,11
1.1/4" 5,11 1,02 6,73 1,35
1.1/2" 5,71 1,14 7,57 1,51
2" 7,03 1,41 9,32 1,86
2.1/2" 8,29 1,66 11,00 2,20
3" 9,92 1,98 12,92 2,58
4" 12,50 2,50 16,89 3,38
48
Reducción de presión
Fuelle de compensación
Plato de ajuste de
presión
50 VaInGe-r_307
Válvula reductora pilotada DP
Ajuste de presión
Diafragma principal
51 VaInGe-r_307
Instalación válvulas reductoras
Separador Válvula Filtro Manómetro Válvula Válvula Manómetro Válvula
interrupción reductora seguridad interrupción
52 VaInGe-r_307
Regulación de temperatura
Muchos procesos industriales necesitan controlar
la temperatura
La calidad de los productos depende, en muchos
casos, de un control riguroso de su temperatura
Desde el punto de vista del ahorro de energía, la
temperatura ideal es la mínima admisible para el
proceso
Si el contenido de un tanque abierto está a 90 ºC
y el proceso permitiera una temperatura de 70 ºC, se
podría conseguir un ahorro energético del 30%.
VaInGe-r_307 53
Selección de un sistema de intercambio de
calor
• Caudal vapor • P. Vapor en intercambiador
Válvula: • Presión entrada Intercambiador: • Caudal fluido a calentar
• Presión salida • Temperatura entrada
• Temperatura salida
Agua caliente
Vapor
• Caudal condensado
Purgador: • Presión entrada Agua fría
• Presión salida.
Condensado
54 VaInGe-r_307
Medición del caudal de vapor
La principal razón para utilizar medidores de caudal es que:
“No se puede gestionar lo que no se puede medir”
Los medidores de caudal de vapor dan una información
vital sobre su uso y costes asociados que permite mejorar
la eficiencia en cuatro áreas:
◦ Eficiencia de la planta
Distribución de cargas, puntas de consumo, etc
◦ Uso eficiente de la energía
Resultados de medidas de ahorro energético, detección de fugas, etc
◦ Control de procesos
Confirmar si se ha suministrado suficiente vapor a la presión y
temperatura correcta, conocer puntas de consumo, etc
◦ Cálculo y atribución de costes
Coste como materia prima, rendimiento por secciones, venta de vapor.
VaInGe-r_307 55
Tipos de medidores de caudal
Placa Orificio
Vortex
Area variable
◦ Medida de ángulo
◦ Medida de fuerza
◦ Medida de presión diferencial.
VaInGe-r_307 56
Diferencias de características en los
medidores
Precisión Rango Ejemplo
(caudal máx. / mín.)
Placa orificio +/- 3 % 4:1 1000 / 250 kg/h
57 VaInGe-r_307
Drenaje de condensado
Cuando el vapor cede su calor latente o entalpía
de evaporación se convierte en condensado
En los sistemas de vapor son necesarios
elementos que diferencien el estado gas (vapor)
y el líquido (condensado)
A estos elementos se les llama purgadores de
vapor
El purgador es una válvula automática que cierra
en presencia de vapor y abre cuando le llega
condensado o aire.
VaInGe-r_307 58
Tipos de purgadores
Termostáticos
Actúan por temperatura. El condensado debe enfriarse
por debajo de la temperatura del vapor
◦ Termostáticos de presión equilibrada
◦ Termostáticos bimetálicos
Mecánicos
Actúan por diferencia de densidad entre el vapor y el
condensado
◦ Mecánicos de boya cerrada
◦ Mecánicos de cubeta invertida
Termodinámicos
Actúan por diferencia de velocidad entre vapor y
condensado.
VaInGe-r_307 59
Purgador termostático de presión
equilibradaCápsula termostática
60 VaInGe-r_307
Purgador termostático bimetálico
Elemento bimetálico
61 VaInGe-r_307
Purgador mecánico de boya
cerradaEliminador termostático
62 VaInGe-r_307
Purgador mecánico de cubeta
invertida
Orificio
venteo
63 VaInGe-r_307
Purgador Disco
termodinámico
65 VaInGe-r_307
Selección según caudal y presión diferencial
La capacidad de un
purgador depende de
la presión diferencial
Un purgador
Condensado (kg/h)
descargando a la
atmósfera, para el
cálculo de su
capacidad se tomará
como presión
diferencial la de
entrada
Sin embargo si
descarga a una línea
presurizada, se tomará
Presión diferencial (bar la diferencia de
presiones entre la
entrada y la salida.
VaInGe-r_307 66
Montaje purgador de boya cerrada
Sentido de
circulación del
fluido según
flecha en el
cuerpo Posición con
flecha de placa
características
vertical y con la
punta hacia abajo
67 VaInGe-r_307
Fugas de vapor en purgadores
Las fugas de vapor
en purgadores
causan
pérdidas de energía
y problemas de
funcionamiento en
otros equipos
por aumento en la
contrapresión.
VaInGe-r_307 68
Fugas de vapor en purgadores (ejemplo)
Considerando un purgador de 1/2” con un orificio de 4 mm,
trabajando con presión de 10 bar r y contrapresión de 2 bar r
W = D2 x P x 0,41 W = Fuga de vapor en Kg/h
D = Diámetro orificio en mm
P = Presión diferencial en bar
W = 16 x 8 x 0.41 = 52,48 kg/h
Los purgadores que tienen fugas de vapor también descargan
condensado y no todos quedan abiertos totalmente, por lo cual
consideramos que pierden la cuarta parte del valor calculado:
52,48 : 4 = 13 kg/h
Pérdidas económicas anuales:
13 kg/h x 24 h/día x 350 días/año = 109.200 kg/h = 109 Ton/año
Con un coste de 12 euros/Ton. Vapor
109 Ton/año x 12 euros/Ton = 1.300 euros/año (216.000
ptas/año).
VaInGe-r_307 69
Detección de fugas en purgadores
Por ultrasonidos
◦ Se requiere experiencia
◦ Puede utilizarse para detectar fugas en otros elementos
y otros fluidos
Sistema Spiratec
◦ No se requiere experiencia
◦ Sólo utilizable en purgadores
◦ Necesita montar una cámara delante del purgador o
instalar purgadores que ya la incorporan
VaInGe-r_307 70
Detección de fugas por
ultrasonidos
Purgador
Sonda
Indicador de
ultrasonidos
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Detección de fugas con Spiratec (opciones)
Purgador con cámara sensora independiente
Control
automático R1C
Control
automático R16C
Indicador
manual
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Recuperación del condensado
Es necesario recuperar el condensado por:
◦ Por ahorro de energía
Alimentar una caldera de 10 bar, con agua a 80 ºC en lugar
de 20 ºC supone un ahorro de combustible del 9%
◦ Por ahorro en tratamiento del agua de
alimentación a caldera
El condensado es agua pura si no se contamina en su
recorrido. El porcentaje de ahorro será el mismo que el de
recuperación de condensado
◦ Por ahorro del coste agua.
VaInGe-r_307 73
Dimensionado de tuberías de
condensado
Caudal de agua en tuberías de acero:
15 mm 20 mm 25 mm 32 mm 40 mm 50 mm 65 mm 80 mm 100 mm
Pérd. carga
mbar por m Caudal condensado kg/h
0,5 123 286 538 1172 1787 3447 6949 10859 22154
0,8 * 160 370 695 1510 2300 4427 8972 13925 28350
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Contrapresión en los purgadores
La presión en la línea de condensados
(Contrapresión en los purgadores) es igual a:
Presión hidrostática (altura manométrica)
+
Resistencia por rozamiento al paso del fluido
La capacidad de descarga de los purgadores
depende de la Presión Diferencial que es:
Presión entrada - Contrapresión
Cuando no hay suficiente presión diferencial, no
se puede recuperar el condensado o ha de
hacerse a través de una bomba.
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Bombas de condensado accionadas por vapor
Escape
Entrada vapor
o aire
Resorte
Flotador
Válvula retención
entrada
condensado
Válvula retención
salida
condensado
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Instalación bombas accionadas por
vapor Atmósfera Vapor
Condensad
o de
purgadores
Condensado
a retorno
Escape
Entrada
.
condensado
por gravedad
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Drenaje de intercambiadores de
calor
Un elevado número de procesos utiliza la
transferencia de calor del vapor a otro fluido,
utilizando intercambiadores de calor
Cuando el vapor cede calor se forma condensado
que se drena a través de un purgador
Suelen aparecer con frecuencia problemas de:
◦ Temperaturas inestables
◦ Corrosión excesiva
◦ Ruido y daños en los equipos por golpes de ariete
La principal causa de estos problemas es el
drenaje deficiente del condensado.
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Funcionamiento Intercambiador de calor (1)
Temperatura salida baja
Vapor P1
Intercambiador de calor
Válvula control abre y
aumenta P1
Si P1 > P2 y la presión
diferencial es la
suficiente para que el
purgador drene el Fluido a
condensado, el calentar
intercambiador Purgador P2
funcionará
correctamente
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Funcionamiento Intercambiador de calor (2)
Temperatura salida aumenta
Vapor P1
Intercambiador de calor
Válvula control va cerrando y
disminuye P1
Si P1 – P2 es
insuficiente para que el
purgador drene el
condensado se produce
“interrupción de flujo” Fluido a
El intercambiador se calentar
inundará y será la causa Purgador P2
de los problemas
indicados
80 VaInGe-r_307
Solución al problema de inundación
Los problemas de inundación en sistemas de intercambio de calor se resuelven
con la instalación de un sistema bomba/purgador, accionado por vapor
Cuando hay presión diferencial suficiente actúa como purgador y cuando no la
hay el mecanismo bomba permite la entrada de vapor, que impulsa el
condensado a la tubería de retorno.
Vapor
Vapor
Aire
Válvula de
control
Intercambiador
Bomba/purgador
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