Generación de Vapor
Objetivo El vapor es el fluido más utilizado en la industria, como medio de transferencia de calor. Se pretende proporcionar un mejor conocimiento del vapor, de los sist de generación, y de los sist de distribución, para que los técnicos responsables del diseño, montaje, operación, y mantenimiento puedan obtener mejoras en la producción y en la eficiencia energética. ISV1-VaGeDis_604 2
Qué es el vapor? Es un fluido utilizado para proporcionar fuerza motriz y energía calorífica Es el medio natural más eficiente de transferencia de calor en la industria El vapor es incoloro, inodoro y estéril Muchas industrias utilizan el vapor como transportador de energía. ISV1-VaGeDis_604 3
Qué es el vapor? El agua puede estar en tres estados: Sólido Líquido Gas (vapor) Aplicando calor: El hielo pasa a líquido La temperatura del líquido aumenta El líquido se convierte en gas (vapor saturado) El vapor saturado se obtiene vapor sobrecalentado Centraremos la atención en las fases líquido/gasy en el cambio de una a la otra. ISV1-VaGeDis_604 4
Cómo se obtiene el vapor? Si se añade calor al agua, su temperatura aumenta hasta alcanzar un valor llamado: Temperatura de saturación Un nuevo aporte de energía hará que el agua hierva y se convierta en vapor. ISV1-VaGeDis_604 5
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. ISV1-VaGeDis_604 6
Para qué se usa el vapor? ISV1-VaGeDis_604 7 En las instalaciones industriales, el vapor se destina a tres (3) fines, que en muchos casos pueden darse simultáneamente: Vapor como materia prima para el proceso (vapor perdido) Vapor como fuente de energía térmica en el proceso (transporte de energía) Vapor como fuente de energía mecánica para producción de trabajo directamente o bien como transformación previa a energía eléctrica (turbinas).
Para qué se usa el vapor? Cuando el vapor actúa como un transportador de energía, traslada parte de la energía del combustible, desde el generador de vapor a los diferentes puntos de la instalación. Agua + Calor = Vapor Vapor Calor = Agua El vapor es un transportador energía. ISV1-VaGeDis_604 8
Dónde se usa el vapor? En la actualidad se usa como fuerza motriz en la producción de energía eléctrica (turbinas) y como medio de transferencia de calor en procesos muy diversos (Calentar, Evaporar, Fundir, Esterilizar, Secar, Humidificar, Cocinar, Lavar, Planchar) y enmultitud de industrias: Petroquímicas Gasolinas, Aceites, Transporte productos pesados, etc. Químicas Plásticos, Pinturas, Colorantes, Conservantes, Lacas, Fertilizantes, Detergentes, etc. Farmacéuticas Autoclaves de esterilización. ISV1-VaGeDis_604 9
Dónde se usa el vapor? Automóvil y Aeronáutica Neumáticos, Aire secado pintura, Tratamiento metales, etc. Astilleros Barcos equipados con procesos industriales y/o servicios Textil Fibra sintética, Tintes, Planchado, Lavado, etc. Papeleras y Cartoneras Secado de pasta. ISV1-VaGeDis_604 10
Dónde se usa el vapor? Alimentación Lácteas, Cárnicas, Conserveras, Azucareras, Aceites, Cerveceras, Piensos, Refrescos, Zumos, Destilerías, Tabaco, etc. En procesos para esterilizar, cocer, secar, humidificar, calentar agua de limpieza, etc. Servicios Lavanderías, Hospitales, Hoteles, Universidades En procesos para lavar, secar, cocinar, humidificar, calefacción. ISV1-VaGeDis_604 11
Porqué se usa el vapor? Para su producción se utiliza agua: Abundante, Barata, Fácil de obtener, No presenta problemas Medioambientales. Es muy controlable: A cada presión le corresponde una temperatura, una energía específica, un volumen específico (a mayor presión mayor temperatura) Rapidez de respuesta. Con vapor saturado y seco la transferencia de calor se efectúa a temperatura constante. ISV1-VaGeDis_604 12
Porqué se usa el vapor? Transporta cantidades de energía elevadas por unidad de masa: Tuberías más pequeñas, Menores superficies de intercambio en los procesos (equipos terminales más pequeños),y menor cantidad de fluido usado Es estéril y de fácil distribución y control. ISV1-VaGeDis_604 13
Porqué se usa el vapor? En las redes de distribución de líquidos se necesitan equipos mecánicos de bombeo para asegurar la circulación en el sentido deseado. Cuando se trabaja con vapor no es necesario un equipo mecánico específico para promover la circulación del vapor, puesto que el vapor se autotransporta, aunque a base de consumir parte de la energía aportada por el combustible. ISV1-VaGeDis_604 14
Porqué se usa el vapor? El agente motor del vapor es la diferencia de presión en la red. En este sentido la ventaja esta relacionada con la desaparición de las exigencias de mantenimiento y reparaciones del equipo mecánico, además de eliminar el consumo de energía eléctrica de las bombas. ISV1-VaGeDis_604 15
Porqué se usa el vapor? En la mayoría de las instalaciones se requiere suministrar energía térmica al proceso en diferentes condiciones de presión y temperatura. Esto es más fácil de realizar con el vapor que con el líquido, a lo que hay que añadir la posibilidad de un mejor aprovechamiento del calor aportado al agua en el generador, pues con el vapor se puede escalonar el uso de vapores de características más degradadas. (recuperación de revaporizados) ISV1-VaGeDis_604 16
Gráfico temperatura entalpía. Punto inicio evaporación agua saturada Línea evaporación Punto vapor saturado Línea vapor sobrecalentado 200 o C 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Fracción seca Temperatura ( o C) Línea agua 0 o C Entalpía del agua Entalpía de evaporación Entalpía total ISV1-VaGeDis_604 17
Tablas del vapor. Presión manométrica (bar) Presión absoluta bar Temp. ºC ENTALPIA ESPECIFICA Agua kj / kg Evaporación kj / kg Total kj / kg Volumen específico m 3 / 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 ISV1-VaGeDis_604 18
Tablas del vapor. ISV1-VaGeDis_604 19
Terminología y unidades Entalpía: Energía total de un fluido Kilojoule (kj) o kilocaloría (kcal) Entalpía específica: Energía por unidad de masa kj/kg ó kcal/kg Capacidad calorífica específica: Capacidad que posee un sustancia para absorber calor Energía requerida por 1 kg para aumentar su temperatura 1ºC Calor y transferencia de calor: Calor es una forma de energía Transferencia de calor es el flujo de entalpía de una materia de alta temperatura a otra de temperatura menor, cuando están en contacto. ISV1-VaGeDis_604 20
Terminología y unidades Entalpía del agua saturada: Entalpía del agua a la temperatura de saturación Entalpía de evaporación: Entalpía que produce un cambio de estado de agua a vapor sin variación de temperatura Entalpía del vapor saturado: Suma de entalpía del agua saturada y entalpía de evaporación Presión relativa y absoluta: Relativa es la que se lee en un manómetro (bar r) Absoluta es la suma de la relativa y la atmosférica (bar ab) Volumen específico: Volumen por unidad de masa (m3/kg) El volumen ocupado por una masa de vapor depende de su presión. Disminuye cuando la presión aumenta. ISV1-VaGeDis_604 21
Calidad del vapor Vapor Saturado Vapor Húmedo Vapor Sobrecalentado ISV1-VaGeDis_604 22
Vapor saturado Es un vapor formado de agua totalmente evaporada No contiene gotas de agua líquida Es importante que el vapor utilizado para procesos sea lo más seco posible ISV1-VaGeDis_604 23
Vapor húmedo Es un vapor que contiene gotas de agua en suspensión Se conoce como título del vapor a la proporción de vapor seco Título 0,9 indica 90% de vapor y 10% de agua El vapor húmedo aumenta la erosión y reduce la transferencia de calor La entalpía real de evaporación del vapor húmedo es el producto de la fracción seca y la entalpía específica de evaporación, de las tablas de vapor. ISV1-VaGeDis_604 24
Vapor sobrecalentado Es un vapor que se encuentra a cualquier temperatura por encima de la del vapor saturado Si la transferencia de calor continúa después de evaporarse todo el agua, la temperatura del vapor seguirá aumentando Se utiliza habitualmente para turbinas También puede producirse vapor sobrecalentado en una reducción de presión. ISV1-VaGeDis_604 25
Condensación del vapor y Transferencia de calor Cuando el vapor condensa cede calor (entalpía de evaporación) En un recipiente con un producto calentado con vapor a través de un serpentín, el vapor condensa cediendo su entalpía de evaporación a la pared metálica del serpentín, el cual la transfiere al producto A medida que el vapor condensa, se forma agua que debe ser drenada (purgadores automáticos). ISV1-VaGeDis_604 26
Transferencia de calor Válvula control La superficie del serpentín se conoce como: Superficie de calefacción Purgador La cantidad de entalpía transferida del vapor al producto es: Q = U S (Tv - Tp) U: Coeficiente de transferencia de calor S: Superficie de calefacción Tv: Temperatura del vapor Tp: Temperatura del producto. DSV1-SalaCaldera_603 27
Cantidad de vapor El calor o entalpía en un proceso se calcula con la fórmula: Q = M Ce (Tf Ti) Q: Calor (kj ó kcal) M: Masa (kg/h) Ce: Calor específico (kj ó kcal/kg ºC) (agua: 4,186 kj/kgºc ó 1 kcal/kgºc) Tf/Ti: Temperatura final/inicial (ºC) Ejemplo: Cálculo del caudal de vapor a 5 bar r. para calentar 10.000 litros/h de agua de 20 a 50 ºC Q = 10.000 kg/h 1 kcal/kg ºC (50 20) ºC = 300.000 kcal/h Calor latente o entalpía de evaporación a 5 bar = 499 kcal/kg Caudal de vapor = 300.000 kcal/h 499 kcal/kg = 601 kg/h. DSV1-SalaCaldera_603 28
Barreras en la transferencia de calor. Vapor Pared metálica Producto a calentar Aire Condensado Capas de suciedad Producto ISV1-VaGeDis_604 29
Suciedad en el vapor La suciedad en el vapor es causada por: Arrastre de sólidos del agua de caldera Corrosión en tuberías Restos de soldadura Exceso de material en juntas Productos para sellado de roscas NOTA: Las partículas de un cierto tamaño pueden ser retenidas con la instalación de filtros, pero los arrastres de sólidos de caldera solo se evitan con un correcto equipamiento. Filtro ISV1-VaGeDis_604 30
Agua en el vapor La presencia de agua en el vapor reduce la energía calorífica por unidad de masa, disminuyendo la trasferencia de calor Además, las gotas de agua transportadas por el vapor producen mayor erosión En procesos que precisen vapor muy seco es recomendable la instalación de un separador. ISV1-VaGeDis_604 31
Aire en el vapor La presencia de aire en el vapor tiene un efecto negativo, anulando la transferencia de calor Los materiales aislantes más efectivos están constituidos por materiales no conductores con células de aire El aire entra por: El vacío resultante del apagado de la caldera o paro de los procesos Alimentación de agua en la caldera con O 2 (tratamiento incorrecto). ISV1-VaGeDis_604 32
La ley de Dalton Establece que en una mezcla de gases o vapores, la presión total es la suma de las presiones parciales Cada constituyente se comporta como si ocupara el volumen solo y es independiente de la presencia de los otros La presión de cada constituyente es conocida como su presión parcial Si hay una mezcla de vapor y aire la presión total es igual a la presión parcial del vapor más la presión parcial del aire. ISV1-VaGeDis_604 33
Ejemplo de la ley de Dalton Si la presión total de una mezcla vapor/aire es 2 bar a y está formada por 3 partes de vapor y 1 parte de aire: Presión parcial del vapor = 3/4 x2bar a = 0,5bar a Presión parcial del aire = 1/4 x2 bar a= 1,5bar a Presión total de la mezcla = 0,5+1,5 = 2 bar a=1 bar r De las tablas del vapor: Temperatura del vapor saturado a 0,5 bar r: 111,6 ºC Temperatura esperada de la presión manométrica de 1 bar suponiendo que sólo hay vapor: 120 ºC Cualquier aplicación calorífica de esta mezcla de vapor/aire se comportaría como si recibiera vapor a 0,5 bar r, aunque el manómetro indique 1 bar Si la aplicación necesita la temperatura de 1 bar r no conseguirá el rendimiento deseado. ISV1-VaGeDis_604 34
Ejemplo de la ley de Dalton ISV1-VaGeDis_604 35
Eliminación de agua y aire en el vapor Solución a los problemas de agua y aire: Instalación de Purgadores Instalación de Eliminadores Son válvulas automáticas que abren en presencia de agua o aire y cierran con vapor Eliminador aire Eliminador aire Purgador Purgador Marmita Final tubería ISV1-VaGeDis_604 36
Revaporizado Cuando el condensado pasa de unas condiciones de presión y temperatura, a una presión inferior con una temperatura de saturación más baja que la inicial, parte del condensado se convierte en Revaporizado. Drenaje de condensado con revaporizado ISV1-VaGeDis_604 37
Cantidad de revaporizado Vapor 7 bar r 170,5 ºC 2769 kj/kg 1000 kg/h Condensado entrada purgador 7 bar r 170,5 ºC 721 kj/kg 1000 kg/h 2048 kj/kg al proceso Condensado salida purgador 0 bar 100 ºC 419 kj/kg Revaporizado 721-419 = 302 kj/kg 302 : 2257 = 0,13 1000 x 0,13 = 130 kg/h Condensado 867 kg/h ISV1-VaGeDis_604 38
Circuito típico de vapor Marmita Vapor Depósito con serpentín Intercambiador Caldera Vapor Aportación agua Bomba Condensado Tanque Condensado ISV1-VaGeDis_604 39
Circuito de vapor El vapor debe estar disponible en los puntos de consumo cumpliendo lo siguiente: Cantidad suficiente Una indicación de falta de caudal es una bajada en la presión Presión y temperatura correcta Atención a la pérdida de carga en las tuberías Libre de aire, Limpio y Seco Evitar especialmente los arrastres de agua con el vapor que sale de la caldera DSV1-SalaCaldera_603 40
Calderas de vapor La caldera es el equipo que convierte agua en vapor aplicando calor De su correcta elección y equipamiento depende en buena parte el rendimiento total del sistema Hay dos tipos de calderas, según la disposición de los fluidos: Pirotubulares Acuotubulares. ISV1-VaGeDis_604 41
Calderas pirotubulares Calor por el interior de los tubos Agua por el exterior de los tubos Para presiones máximas de 20 bar y consumos hasta 30 T/h Son económicas, de alto rendimiento y fácil mantenimiento. Gases de combustión Quemador Cámara de evaporación Cámara de evaporación 1º paso (horno) Vapor 2º paso (tubos) ISV1-VaGeDis_604 42
Calderas acuotubulares Calor por el exterior de los tubos Agua por el interior de los tubos Son más seguras Se usan normalmente para presiones altas. Calor Domo superior Vapor Agua Domo inferior ISV1-VaGeDis_604 43
Equipamiento calderas Es importante que las calderas incorporen los equipos más adecuados para cumplir normativas de seguridad, asegurar un correcto funcionamiento y obtener la máxima eficiencia en la generación de vapor. ISV1-VaGeDis_604 44
Equipamiento calderas Los objetivos del equipamiento de una caldera son: Funcionamiento Seguridad Eficiencia. ISV1-VaGeDis_604 45
Equipamiento por funcionamiento Sistema control nivel de agua Bomba alimentación agua Quemador combustible Presostatos Válvulas interrupción, Manómetros, etc. ISV1-VaGeDis_604 46
Control de nivel en calderas El control de nivel regula la alimentación de agua a la caldera. Existen dos tipos: Control todo/nada: Actúa sobre la bomba de alimentación en dos niveles de agua preestablecidos Control modulante: Actúa sobre una válvula eléctrica o neumática de forma proporcional, para mantener un nivel de agua preestablecido. ISV1-VaGeDis_604 47
Control de nivel todo / nada. Controlador Sonda conductiva Bomba agua alimentación ISV1-VaGeDis_604 48
Control de nivel modulante. Controlador Sonda capacitiva Recirculación Válvula Bomba agua alimentación ISV1-VaGeDis_604 49
Ventajas del control de nivel modulante Presión y caudal de vapor más estable Mayor eficiencia en la operación del quemador Menor fatiga térmica sobre la pared de la caldera Menor arrastre de agua con el vapor Puede usar una estación central de bombeo. ISV1-VaGeDis_604 50
Equipamiento por seguridad Indicadores de nivel Alarmas de nivel Válvulas de seguridad Válvulas de retención alimentación agua Presostato Normativas de construcción y ubicación. Supervisión de las calderas ISV1-VaGeDis_604 51
Indicadores de nivel. Alarma de nivel alto (opcional) Nivel agua normal (control modulante) Paro bomba o válvula cerrada Marcha bomba o válvula abierta 1ª Alarma de nivel bajo 2ª Alarma de nivel bajo ISV1-VaGeDis_604 52
Alarmas de nivel Las alarmas de nivel detectan niveles bajo o alto y paran la caldera. Existen dos tipos: Alarmas de nivel estándar: Para sala de calderas con vigilancia continua Alarmas de nivel de alta seguridad: Con auto verificación Para sala de calderas sin vigilancia continua. ISV1-VaGeDis_604 53
Sistemas de vigilancia de las calderas Nuevo Reglamento de Equipos a Presión REP. Instrucción Técnica Complementaria ITC-EP1 Calderas (RD 2060/2008, de 12 de diciembre. BOE 05-02-09) Artículo 7. Sistemas de vigilancia de las calderas. Las calderas incluidas en el ámbito de aplicación de la presente ITC dispondrán del sistema de vigilancia indicado por el fabricante en las instrucciones de funcionamiento. El operador de la caldera deberá realizar las comprobaciones adecuadas de los controles, elementos de seguridad y de la calidad del agua de alimentación para asegurarse del buen estado de la caldera. ISV1-VaGeDis_604 54
Sistemas de vigilancia de las calderas El sistema de vigilancia cumplirá los siguientes requisitos: 1. Vigilancia directa. El operador de la caldera debe asegurar su presencia en la sala de calderas o en sala con repetición de las señales de seguridades, para poder actuar de forma inmediata en caso de anomalía. En dicho local, debe existir un pulsador de emergencia que pare inmediata-mente el sistema de aporte calorífico de forma segura y que active los sistemas de disipación de energía que hayan sido diseñados. Si el fabricante no ha indicado instrucciones para la vigilancia de la caldera, se considerará como de vigilancia directa. ISV1-VaGeDis_604 55
Sistemas de vigilancia de las calderas 2. Vigilancia indirecta. Los intervalos de comprobación de los sistemas de control y seguridad para que el funcionamiento de la instalación sea seguro serán indicados por el fabricante de la caldera. El sistema de vigilancia de la caldera estará relacionado con los dispositivos de control de los que disponga. ISV1-VaGeDis_604 56
Sistemas de vigilancia de las calderas En las calderas que, de acuerdo con las instrucciones de funcionamiento del fabricante, puedan funcionar de forma automática, sin presencia del personal de conducción en la sala de calderas, el operador deberá realizar comprobaciones funcionales para asegurar la operatividad de sus sistemas de control y seguridad Se consideran adecuados los sistemas de control y seguridad indicados en las normas UNE-EN 12953 y 12952 o cualquier otra norma equivalente que pueda utilizar el fabricante. En caso de fallo de controles o seguridades requerirá la utilización de las instrucciones de emergencia, debiéndose pasar a vigilancia directa hasta la subsanación de la anomalía. ISV1-VaGeDis_604 57
Sistemas de vigilancia de las calderas ISV1-VaGeDis_604 58
Equipamiento por eficiencia Tratamiento del agua de alimentación Control purgas de caldera Recuperación de calor en las purgas Control de la combustión Recuperación de calor en los humos de combustión. ISV1-VaGeDis_604 59
Agua de alimentación de caldera El agua de alimentación debe ser tratada para: Minimizar la corrosión en la caldera, en el sistema de distribución del vapor y retorno de condensados Evitar la formación de incrustaciones en la caldera Minimizar la formación de espumas y arrastres de agua de caldera con el vapor, con el fin de obtener un vapor limpio y seco. ISV1-VaGeDis_604 60
Agua de alimentación de caldera ISV1-VaGeDis_604 61
Agua de alimentación de caldera Nuevo Reglamento de Equipos a Presión REP. Instrucción Técnica Complementaria ITC-EP1 Calderas (RD 2060/2008, de 12 de diciembre. BOE 05-02-09) Artículo 8. Agua de alimentación y agua de la caldera. Para todas las calderas de vapor y de agua sobrecalentada deberá existir un tratamiento de agua eficiente que asegure la calidad de la misma, así como de un régimen adecuado de controles, purgas y extracciones. ISV1-VaGeDis_604 62
Agua de alimentación de caldera Se considera adecuado el indicado en las normas UNE-EN 12953-10 y 12952-12. Así mismo, podrá utilizarse cualquier otra norma que aporte seguridad equivalente, debiéndose en este caso acompañarse un informe favorable de un organismo de control autorizado. Será obligación del usuario mantener el agua de las calderas, como mínimo, dentro de las especificaciones de las normas citadas en el párrafo anterior. ISV1-VaGeDis_604 63
Agua de alimentación de caldera A estos efectos, el usuario realizará o hará realizar los análisis pertinentes y, si es necesario, instalará el sistema de depuración que le indique el fabricante, una empresa especializada en tratamiento de agua, o el diseñador de la instalación. ISV1-VaGeDis_604 64
Calidad del agua de caldera. DSV1-SalaCaldera_603 65
Calidad del agua de caldera. DSV1-SalaCaldera_603 66
Calidad del agua de caldera. Norma UNE EN-12953-10 para calderas pirotubulares (anula y sustituye a la norma UNE 9075) Parámetro Unidad Agua en caldera vapor que utiliza: Agua alimentación con conductividad > 30 µs/cm Agua alimentación con conductividad 30 µs/cm Presión de servicio bar > 0,5 a 20 > 0,5 Conductividad a 25 ºC µs/cm < 6000 * < 1500 ph a 25 ºC 10,5 a 12 10 a 11 * El valor de conductividad con recalentador será el 50% del indicado La norma también hace referencia a otros parámetros (concentración de silice, fosfato, etc) DSV1-SalaCaldera_603 67
Calidad del agua de caldera. Norma UNE EN-12952-12 para calderas acuotubulares (anula y sustituye a la norma UNE 9075) Parámetro Presión de servicio Conductividad a 25 ºC Unidad Agua en caldera vapor que utiliza: Agua alimentación con conductividad > 30 µs/cm Agua alimentación con conductividad 30 µs/cm bar > 0,5 a 20 > 20 a 40 > 40 a 60 > 0,5 a 60 > 60 a 100 µs/cm < 6000 * < (6000 a 3000) * < (3000 a 1500) * < (1500 a 800) < (800 a 250) ph a 25 ºC 10,5 a 12 10,5 a 11,8 10,3 a 11,5 10 a 11 9,8 a 10,5 * El valor de conductividad con recalentador será el 50% del indicado La norma también hace referencia a otros parámetros (concentración de silice, fosfato, etc) y otros valores cuando la conductividad del agua de alimentación es 0,2 µs/cm. DSV1-SalaCaldera_603 68
Calidad del agua de caldera. TRATAMIENTO TIPICO DE AGUA DE CALDERA Descalcificador o Osmosis Inversa. Fosfatos Secuestrantesde Oxígeno(sulfitos, hidracina, Dietilhidroxilamina DEHA) Dispersantes, agentes anti-incrustantes Aminas neutralizantes NOTA: La dosificaciónno tieneen cuentael retornode condensados NOTA: La dosificacióndeberíade variaren funciónde la temperaturadeldepositode alimentaciona calderas. NOTA: Toxicidad. Ver productos FDA (Aptos para Uso Alimentario) Miguel Ángel López 2009 CETAMINE ------ 69
Calidad del agua de caldera. DSV1-SalaCaldera_603 70
Calidad del agua de caldera. DSV1-SalaCaldera_603 71
Enfriador de muestras DSV1-SalaCaldera_603 72
Enfriador de muestras Tomar las muestras de agua de la caldera directamente, es poco seguro, y da un error sobre el valor real interno, por el revaporizadoque se forma al pasar el agua de una presión y temperatura alta, a la presión atmosférica en donde no puede estar a más de 100 ºC. El revaporizadoque se forma no se lleva sales y por tanto el agua residual queda más concentrada. DSV1-SalaCaldera_603 73
Enfriador de muestras DSV1-SalaCaldera_603 74
Enfriador de muestras Válvula entrada muestra Esto se resuelve haciendo pasar la muestra por un pequeño intercambiador que se le hace pasar agua fría. Salida agua refrigeración Válvula entrada agua refrigeración Intercambiador de calor Salida muestra DSV1-SalaCaldera_603 75
Temperatura del agua de alimentación Contenido de oxigeno (ppm) 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Para reducir el contenido de oxígeno y por tanto el tratamiento químico, es conveniente que la temperatura del agua sea la máxima que permita la bomba de alimentación a caldera, y la presión del depósito. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Temperatura del agua ( o C) ISV1-VaGeDis_604 76
Eliminación del Oxigeno en el agua El agua fría absorbe oxígeno y otros gases que se liberan cuando se calienta Es esencial retirar el oxígeno disuelto antes de que se libere dentro de la caldera para prevenir la corrosión en la caldera y en el sistema de vapor Es posible eliminar el oxigeno por tratamientos químicos o calentando el agua Calentando el agua se elimina la mayor parte del oxigeno y puede reducirse en un 75% la cantidad de productos químicos eliminadores de oxigeno necesarios ISV1-VaGeDis_604 77
Variación Oxigeno - Temperatura ISV1-VaGeDis_604 78
Depósito de alimentación incorrecto Agua de aportación Revaporizado perdido Retorno de Condensado Si no se produce una buena mezcla del agua fría y el condensado con temperatura alta, se pierde energía. ISV1-VaGeDis_604 79
Cabezal Mezclador para depósito ISV1-VaGeDis_604 80
Deposito de alimentación eficaz. Cabezal mezclador y desaireador Venteo Control de nivel Agua de aportación Revaporizado de las purgas Retorno de condensado s Control de temperatura Tanque alimentación Sistema de recirculación ISV1-VaGeDis_604 81 a Caldera
Depósito alimentación esquema ISV1-VaGeDis_604 82
Deposito de Alimentación a Calderas ITC-MIE-AP-02: TUBERÍAS PARA FLUÍDOS RELATIVOS A CALDERAS Orden de 6 de octubre de 1980, por la que se aprueba la Instrucción Técnica Complementaria MIE-AP2 del Reglamento de Aparatos a Presión sobre Tuberías para fluidos relativos a calderas B.O.E. Nº 265 publicado el 4/11/1980. La tubería de llegada de agua al depósito de alimentación tendrá una sección tal que asegure la llegada del caudal necesario para el consumo de la caldera en condiciones máximas de servicio, así como para los servicios auxiliares de la propia caldera y de la sala de calderas. La tubería de alimentación de agua tanto a calderas como a depósitos, tendrá como mínimo 15 mm. de diámetro interior, excepto para instalaciones de calderas con un PV menor o igual a 5, cuyo diámetro podrá ser menor, con un mínimo de 8 milímetros, siempre que su longitud no sea superior a un metro. DSV1-SalaCaldera_603 83
Deposito de Alimentación a Calderas Las tuberías de vaciado de las calderas tendrán como mínimo 25 mm. de diámetro, excepto para calderas con un PV menor o igual a cinco, cuyo diámetro podrá ser menor, con un mínimo de 10 mm., siempre que su longitud no sea superior a un metro. Todos los accesorios instalados en la tubería de llegada de agua proveniente de una red pública serán de presión nominal PN 16, no admitiéndose en ningún caso válvulas cuya pérdida de presión sea superior a una longitud de tubería de su mismo diámetro y paredes lisas igual a 600 veces dicho diámetro. La alimentación de agua a calderas mediante bombas se hará a través de un depósito, quedando totalmente prohibido la conexión de cualquier tipo de bomba a la red pública. Aunque el depósito de alimentación o expansión sea de tipo abierto, estará tapado y comunicado con la atmósfera con una conexión suficiente para que en ningún caso pueda producirse presión alguna en el mismo. En el caso de depósito de tipo abierto con recuperación de condensados, esta conexión se producirá al exterior. En el caso de depósito de tipo cerrado, dispondrá de un sistema rompedor de vacío. DSV1-SalaCaldera_603 84
Deposito de Alimentación a Calderas Todo depósito de alimentación dispondrá de un rebosadero cuya comunicación al albañal debe poder comprobarse mediante un dispositivo apropiado que permita su inspección y constatar el paso del agua. Los depósitos de alimentación de agua y de expansión en circuito de agua sobrecalentada y caliente dispondrán de las correspondientes válvulas de drenaje. En la instalación de sistemas de tratamiento de agua de alimentación a calderas deberá instalarse a la entrada del mismo una válvula de retención si se conecta directamente a una red pública. DSV1-SalaCaldera_603 85
Producción de vapor Vapor limpio y seco Agua de alimentación con impurezas Acumulación de impurezas en la caldera Eliminación de impurezas. ISV1-VaGeDis_604 86
Producción de vapor (ejemplo) Agua alimentación con: 250 ppm = 0,25 gr / litro Producción vapor: 10.000 kg / h Acumulación de impurezas: 1 Hora: 0,25 x 10.000 = 2,5 kg 10 Horas: 2,5 x 10 = 25 kg 100 Horas:2,5 x 100 = 250 kg Cómo evitarlo? PURGANDO Cuanto? Cómo? ISV1-VaGeDis_604 87
Cuanto purgar? (ejemplo) Agua alimentación con: 250 ppm = 0,25 gr/litro Producción vapor: 10.000 kg/h Valor de sales recomendado: Entre 2000 y 4000 ppm (dependiendo de la caldera) ppm(entrada) x Producción 250 x 10.000 Cantidad purga = = = 909 kg/h ppm (deseado) ppm (entrada) 3000 250 Pérdidas de energía + Purga Pérdidas de agua Pérdidas de tratamiento Aumento de sales Purga Aumento de espumas Arrastre de agua con vapor ISV1-VaGeDis_604 88
Purga de caldera excesiva Reducir la purga de caldera significa ahorrar energía, agua y tratamiento. A continuación hacemos un ejemplo de ahorro energético: Datos (a) Presión de servicio (b) Producción vapor (media anual) (c) Conductividad agua alimentación (media anual) (d) Conductividad agua caldera (media anual) (e) Conductividad agua caldera (valor recomendado) (f) Horas/año funcionamiento (g) Coste combustible (gas natural) 10 bar r 8.000 kg/h 400 µs/cm 3.500 µs/cm 5.000 µs/cm 6.000 h/año 0,021 /kwh DSV1-SalaCaldera_603 89
Purga de caldera excesiva Reducir la purga de caldera significa ahorrar energía, agua y tratamiento. A continuación hacemos un ejemplo de ahorro energético: Datos (a) Presión de servicio (b) Producción vapor (media anual) (c) Conductividad agua alimentación (media anual) (d) Conductividad agua caldera (media anual) (e) Conductividad agua caldera (valor recomendado) (f) Horas/año funcionamiento (g) Coste combustible (gas natural) (h) Purga realizada: (c b) (d c) 10 bar r 8.000 kg/h 400 µs/cm 3.500 µs/cm 5.000 µs/cm 6.000 h/año 0,021 /kwh 1.032 kg/h Cálculos DSV1-SalaCaldera_603 90
Purga de caldera excesiva Reducir la purga de caldera significa ahorrar energía, agua y tratamiento. A continuación hacemos un ejemplo de ahorro energético: Datos (a) Presión de servicio (b) Producción vapor (media anual) (c) Conductividad agua alimentación (media anual) (d) Conductividad agua caldera (media anual) (e) Conductividad agua caldera (valor recomendado) (f) Horas/año funcionamiento (g) Coste combustible (gas natural) (h) Purga realizada: (c b) (d c) (i) Purga recomendada: (c b) (e c) 10 bar r 8.000 kg/h 400 µs/cm 3.500 µs/cm 5.000 µs/cm 6.000 h/año 0,021 /kwh 1.032 kg/h 696 kg/h Cálculos DSV1-SalaCaldera_603 91
Purga de caldera excesiva Reducir la purga de caldera significa ahorrar energía, agua y tratamiento. A continuación hacemos un ejemplo de ahorro energético: Datos Cálculos (a) Presión de servicio (b) Producción vapor (media anual) (c) Conductividad agua alimentación (media anual) (d) Conductividad agua caldera (media anual) (e) Conductividad agua caldera (valor recomendado) (f) Horas/año funcionamiento (g) Coste combustible (gas natural) (h) Purga realizada: (c b) (d c) (i) Purga recomendada: (c b) (e c) (j) Reducción de purga: 1.032 696 10 bar r 8.000 kg/h 400 µs/cm 3.500 µs/cm 5.000 µs/cm 6.000 h/año 0,021 /kwh 1.032 kg/h 696 kg/h 336 kg/h DSV1-SalaCaldera_603 92
Purga de caldera excesiva Reducir la purga de caldera significa ahorrar energía, agua y tratamiento. A continuación hacemos un ejemplo de ahorro energético: Datos Cálculos (a) Presión de servicio (b) Producción vapor (media anual) (c) Conductividad agua alimentación (media anual) (d) Conductividad agua caldera (media anual) (e) Conductividad agua caldera (valor recomendado) (f) Horas/año funcionamiento (g) Coste combustible (gas natural) (h) Purga realizada: (c b) (d c) (i) Purga recomendada: (c b) (e c) (j) Reducción de purga: 1.032 696 10 bar r 8.000 kg/h 400 µs/cm 3.500 µs/cm 5.000 µs/cm 6.000 h/año 0,021 /kwh 1.032 kg/h 696 kg/h 336 kg/h (k) Ahorro de energía: (Entalpía agua caldera Entalpía agua aportación) j = (781,6 kj/kg 84 kj/kg) 336 kg/h 0,9 (rendim. caldera) 260.000 kj/h DSV1-SalaCaldera_603 93
Purga de caldera excesiva Reducir la purga de caldera significa ahorrar energía, agua y tratamiento. A continuación hacemos un ejemplo de ahorro energético: Datos Cálculos (a) Presión de servicio (b) Producción vapor (media anual) (c) Conductividad agua alimentación (media anual) (d) Conductividad agua caldera (media anual) (e) Conductividad agua caldera (valor recomendado) (f) Horas/año funcionamiento (g) Coste combustible (gas natural) (h) Purga realizada: (c b) (d c) (i) Purga recomendada: (c b) (e c) (j) Reducción de purga: 1.032 696 10 bar r 8.000 kg/h 400 µs/cm 3.500 µs/cm 5.000 µs/cm 6.000 h/año 0,021 /kwh 1.032 kg/h 696 kg/h 336 kg/h (k) Ahorro de energía: (Entalpía agua caldera Entalpía agua aportación) j = (781,6 kj/kg 84 kj/kg) 336 kg/h 0,9 (rendim. caldera) 260.000 kj/h Ahorro anual: (k 3600 kj/kwh) g f Amortización equipo control de sólidos disueltos (instalado) 9.100 /año 8 meses DSV1-SalaCaldera_603 94
Purga de caldera inferior a la necesaria Valor alto de sólidos en suspensión Suciedad en válvulas de control Ensuciamiento de intercambiadores Bloqueo de purgadores. DSV1-SalaCaldera_603 95
Cómo purgar la caldera? Sistema Automático de Control de Sales Sonda conductiva Controlador Válvula control purga Enfriador de muestras. Purga de fondo (lodos) ISV1-VaGeDis_604 96
Sistema automático de control de sales Mantiene el nivel de sólidos disueltos (TDS) en caldera, cerca del valor máximo permitido para minimizar pérdidas de calor y costes de tratamiento Previene un valor de concentración de sales demasiado alto que causaría arrastres de agua sucia con el vapor Proporciona estas ventajas con el mínimo de atención manual. ISV1-VaGeDis_604 97
Purga de fondos temporizada Para eliminar lodos deben hacerse varias purgas cortas y rápidas La mejor opción es una válvula con actuador neumático y temporizador Caldera Válvula con actuador neumático Temporizador Cabezal venteador Tanque de Purgas DSV1-SalaCaldera_603 98
Tanque de recogida de purgas Es necesario que las purgas de se lleven a un tanque que incorpore un sistema de enfriamiento. Cabezal venteador Entrada purga de niveles Manómetro Salida a desagüe Purga de sales Purga de fondos Agua de refrigeración Válvula de drenaje DSV1-SalaCaldera_603 99
Tanque de recogida de purgas ITC-MIE-AP-02: TUBERÍAS PARA FLUÍDOS RELATIVOS A CALDERAS Orden de 6 de octubre de 1980, por la que se aprueba la Instrucción Técnica Complementaria MIE-AP2 del Reglamento de Aparatos a Presión sobre Tuberías para fluidos relativos a calderas B.O.E. Nº 265 publicado el 4/11/1980. No se permite el vaciado directo al alcantarillado de las descargas de agua de las calderas; purgas de barros, escapes de vapor y purgas de condensados, debiendo existir un dispositivo intermedio con el fin de evitar vacíos y sobrepresiones en estas redes. De existir un depósito intermedio de evacuación dispondrá de: -Tubo de ventilación de suficiente tamaño para evitar la formación de sobrepresión alguna, conectado a la atmósfera y libre de válvulas de seccionamiento. -Capacidad suficiente para el total de agua descargada en purgas por todas las conexiones al mismo, en un máximo de cuatro horas. -Las tapas o puertas de inspección con juntas que eviten los escapes de vapor. DSV1-SalaCaldera_603 100
Tanque de recogida de purgas DSV1-SalaCaldera_603 101
Recuperación de calor en la purga de sales Se puede recuperar hasta el 80% del calor de la purga de sales El sistema de recuperación estaría compuesto de un tanque de revaporizado, un intercambiador de calor y accesorios. ISV1-VaGeDis_604 102
Cálculo del coste del vapor (ejemplo). DSV1-SalaCaldera_603 103
Cálculo del coste del vapor (ejemplo). Datos: Presión vapor 10 bar r Temperatura agua alimentación 70 ºC Tipo combustible Gas natural Coste combustible 0,021 /kwh Cálculos: (a) Calor requerido (ver tabla 1) 2.489 kj/kg (b) Calor requerido por tonelada de vapor (a 1.000) 2.489.000 kj/ton (c) Poder calorífico combustible (ver tabla 2) 3.600 kj/kwh (d) Energía necesaria (b c) 691 kwh (e) Eficiencia Caldera 90% (f) Energía real necesaria (d 0,9) 768 kwh (g) Coste combustible 0,021 /kwh (h) Coste aproximado agua de aportación y tratamiento 1,00 /ton Coste del vapor (f g) + h 17,12 /ton DSV1-SalaCaldera_603 104
Calor necesario para producir vapor. Tabla 1 Calor en kilojulios (kj) requerido para producir un kilogramo de vapor, en función de la presión y la temperatura del agua de alimentación Temperatura agua de alimentación ºC Presión caldera bar r 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 5 2715 2673 2631 2589 2548 2506 2464 2421 2381 2338 2295 6 2722 2680 2638 2596 2555 2513 2471 2428 2388 2345 2302 7 2727 2685 2643 2601 2560 2518 2476 2434 2393 2350 2307 8 2732 2690 2648 2607 2565 2523 2481 2439 2397 2355 2312 9 2736 2694 2653 2611 2569 2527 2485 2443 2401 2360 2316 10 2740 2698 2656 2614 2573 2531 2489 2447 2405 2363 2319 11 2743 2701 2659 2617 2576 2534 2492 2450 2408 2366 2323 12 2746 2704 2662 2620 2578 2536 2494 2452 2410 2368 2326 15 2752 2710 2668 2626 2584 2542 2500 2458 2416 2374 2332 17 2755 2713 2671 2629 2587 2545 2503 2461 2419 2377 2335 20 2759 2717 2675 2633 2591 2549 2507 2465 2423 2381 2339 25 2762 2720 2678 2636 2594 2552 2510 2468 2426 2384 2342 DSV1-SalaCaldera_603 105
Poder calorífico de combustibles. Tabla 2 Poder calorífico de combustibles Tipo combustible Viscosidad centistoques Peso específico kg/dm3 Poder calorífico Gas-oil 4 0,835 45.600 kj/kg Fuel ligero 50 0,935 43.500 kj/kg Fuel medio 230 0,95 43.000 kj/kg Fuel pesado 900 0,97 42.500 kj/kg Propano 0,51 49.800 kj/kg Gas natural 3.600 kj/kwh DSV1-SalaCaldera_603 106
Estudio energético recuperando calor A continuación realizamos un estudio de ahorro energético recuperando calor de la purga de sales, según esquema y los siguientes datos: Presión de servicio 10 bar r Producción vapor (media anual 8.000 kg/h Conductividad agua alimentación (media anual) 400 µs/cm Conductividad agua caldera 5.000 µs/cm Horas/año funcionamiento 6.000 h/año Coste combustible (gas natural) 0,021 /kwh Rendimiento de caldera 90 % Coste vapor (según cálculo anterior) 17 /tonelada DSV1-SalaCaldera_603 107
Ahorro energético recuperando revaporizado 400 µs/cm 8.000 kg/h Caudal purga = = 696 kg/h 5000 µs/cm 400 µs/cm Revaporizado generado = 15,2 % (según tabla siguiente) Presión Caldera bar r 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 18 20 22 25 30 32 % Revaporizado 10,3 11,4 12,5 13,5 14,4 15,2 16,0 16,7 17,4 18,0 18,6 19,2 20,3 21,4 22,3 23,7 25,7 26,4 Cuando el agua de purga pasa de la presión de caldera a una presión inferior se produce revaporizado. Esta tabla indica el porcentaje de agua que se convierte en vapor a una presión de 0,2 bar Vapor recuperado: 15,2 % de 696 kg/h Ahorro recuperando revaporizado: 0,106 Ton/h 6.000 h/año 17 /Ton. vapor 106 Kg/h 10.800 /año. DSV1-SalaCaldera_603 108
Ahorro energético recuperando calor del agua El ahorro puede aumentar instalando un intercambiador de calor para aprovechar parte del calor residual del agua: DSV1-SalaCaldera_603 109
Ahorro energético recuperando calor del agua El ahorro puede aumentar instalando un intercambiador de calor para aprovechar parte del calor residual del agua: Energía recuperada suponiendo un enfriamiento del agua de 105 a 45 ºC: 440 kj/kg 188 kj/kg 252 kj/kg DSV1-SalaCaldera_603 110
Ahorro energético recuperando calor del agua El ahorro puede aumentar instalando un intercambiador de calor para aprovechar parte del calor residual del agua: Energía recuperada suponiendo un enfriamiento del agua de 105 a 45 ºC: 440 kj/kg 188 kj/kg 252 kj/kg Calor residual: (696 106) kg/h 252 kj/kg 6.000 h/ año 892.080.000 kj/año DSV1-SalaCaldera_603 111
Ahorro energético recuperando calor del agua El ahorro puede aumentar instalando un intercambiador de calor para aprovechar parte del calor residual del agua: Energía recuperada suponiendo un enfriamiento del agua de 105 a 45 ºC: 440 kj/kg 188 kj/kg 252 kj/kg Calor residual: (696 106) kg/h 252 kj/kg 6.000 h/ año 892.080.000 kj/año Ahorro de energía con rendimiento caldera 90%: (892.080.000 kj/año 3.600 kj/kwh) 0,9 275.300 kwh/año DSV1-SalaCaldera_603 112
Ahorro energético recuperando calor del agua El ahorro puede aumentar instalando un intercambiador de calor para aprovechar parte del calor residual del agua: Energía recuperada suponiendo un enfriamiento del agua de 105 a 45 ºC: 440 kj/kg 188 kj/kg 252 kj/kg Calor residual: (696 106) kg/h 252 kj/kg 6.000 h/ año 892.080.000 kj/año Ahorro de energía con rendimiento caldera 90%: (892.080.000 kj/año 3.600 kj/kwh) 0,9 275.300 kwh/año Ahorro recuperando calor del agua residual: 275.300 kwh/año x 0,021 /kwh 5.780 /año DSV1-SalaCaldera_603 113
Ahorro energético total Recuperando revaporizado y calor del agua residual se obtiene un importante ahorro energético: DSV1-SalaCaldera_603 114
Ahorro energético total Recuperando revaporizado y calor del agua residual se obtiene un importante ahorro energético: Ahorro total: Revaporizado + Calor residual = 10.800 + 5.780 = 16.580 /año Coste aproximado: Material + Instalación = 13.000 Amortización: (13.000 16.580) x 12 = 10 meses DSV1-SalaCaldera_603 115
Arrastres de agua con el vapor Hay que tener presente que las calderas producen arrastres de agua con el vapor por: Producción a baja presión Demanda excesiva Nivel de agua alto Formación de espuma por alta concentración de sales El arrastre de agua implica Golpes de ariete Reducción de eficiencia Contaminación por sales del agua de caldera. DSV1-SalaCaldera_603 116
Vídeo caldera ISV1-VaGeDis_604 117