Ing. Luis O. Rojas Jara

Generación de Vapor

1.- Introducción

Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones

industriales que, aplicando el calor de un combustible

sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para

aplicaciones en la industria.

En algunos casos el vapor generado es llevado a los

puntos de consumo para utilizar su fuerza, y en otros

para utilizar su calor.

Generalidades

Las calderas, en sus opciones de vapor y agua caliente,

están ampliamente extendidas, tanto para uso industrial

como no industrial, encontrándose en cometidos tales

como, generación de electricidad, procesos químicos,

calefacción, agua caliente sanitaria, etc.

Definición

Es un recipiente metálico, cerrado, destinado a producir vapor o calentar agua, a una temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que la atmosférica.

Usualmente generan vapor saturado. Este vapor se produce a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido se calienta y cambia de estado.

Definición

Las calderas son un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas de intercambiadores de calor, en las cuales se produce un cambio de fase.Además son recipientes a presión, por lo cual son construidas en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas.

Definición

La caldera de vapor más elemental es la conocida olla a presión.En esencia una caldera es un recipiente cerrado, lleno parcialmente de agua a la que se le aplica calor procedente de alguna fuente.Hay muchos tipos de calderas, de acuerdo a las temperaturas y presiones finales, tipo de energía calorífica disponible y volumen de producción de vapor.

AplicacionesEsterilización. Es común encontrar calderas en los hospitales, las que generan vapor para esterilizar los instrumentos médicos; en los comedores con capacidad industrial se genera vapor para esterilizar los cubiertos así como para la elaboración de alimentos en marmitas.Calentar otros fluidos, por ejemplo, en la industria petrolera se calienta a los petróleos pesados para mejorar su fluidez y el vapor es muy utilizado.Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. Las calderas son parte fundamental de las centrales termoeléctricas.

AplicacionesEn una planta industrial no es extraño que las calderas industriales sirvan para muchas aplicaciones; por ejemplo, en un molino de pulpa de papel, el calentador de recuperación química se emplea para convertir el licor negro en sustancias químicas útiles y de esta manera generar vapor para el proceso.En la misma planta una unidad de combustión de corteza recupera calor del material de desperdicio y genera también energía.Las calderas industriales queman petróleo, gas, carbón y una amplia variedad de productos y/ó subproductos.

HistoriaHasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que Dionisio Papin creó una pequeña caldera llamada "marmita".De su creación surgió el concepto de “caballo de fuerza” (HP). Es la potencia necesaria para elevar verticalmente a la velocidad de 100 pie/min un peso de 330 libras.La medida la propuso James Watt (1782) para expresar la potencia que podía desarrollar la novedosa, en su época, máquina de vapor con referencia a la potencia que desarrollaban los caballos. Los caballos eran la natural fuente de potencia que se usaban ampliamente muchas aplicaciones.

Antes de estudiar en detalle los equipos

generadores de vapor, y las disposiciones

legales sobre su instalación, mantención y

operación, conviene conocer el proceso físico

de generación del vapor y los diferentes

conceptos involucrados al mismo, tales como:

calor, presión, temperatura etc.

UNIDAD N°1:

TEORÍA BÁSICA DE GENERACIÓN DE VAPOR

¿Qué es el vapor?

Como otras substancias, el agua puede estar en estado

sólido, llamado hielo, en estado líquido, que es cuando la

llamamos agua, o como gas, llamado vapor. En este curso

centraremos la atención en las fases líquido y gas y en el

cambio de una fase a la otra.

Vapor de agua

El vapor de agua es un gas que se obtiene por evaporación o

ebullición del agua líquida o por sublimación del hielo. Es

inodoro e incoloro.

Vapor vs. Gas

El término vapor se refiere estrictamente a aquel gas que se puede condensar por presurización a temperatura constante o por enfriamiento a presión constante.

Normalmente la palabra vapor suele referirse al vapor de agua.

CONCEPTOS GENERALES

El vapor es usado en la industria por lo conveniente y

económico para el transporte de energía y calor.

La energía del combustible es transportada por el

proceso de combustión al agua, vaporizándola.

El vapor generado es llevado a los puntos de consumo

para utilizar, ya sea por: su fuerza o su cantidad de calor

1. TEORÍA BÁSICA DE LA GENERACIÓN DE VAPOR

Si en un depósito estuviera abierto y se coloca una cierta

cantidad de agua y se le aplica calor, éste se transmite al

agua a través de las paredes del depósito.

Si se está a la presión atmosférica normal, la temperatura del

agua subirá hasta llegar a los 100ºC. A esta temperatura el

agua hervirá y comenzará a producir vapor por ebullición.

La temperatura del agua permanecerá a 100ºC durante

todo el tiempo que el depósito esté abierto, aunque se le

aplique más calor, pero el agua continuará

transformándose en vapor.

Ahora bien, si el depósito está cerrado, y el vapor no

sale, la presión en el interior del depósito aumentará. Al

haber mayor presión aumentará también la temperatura.

“Mientras más alta es la presión, el agua hierve a

mayor temperatura.”

Mientras más se calienta el agua, más subirá la

temperatura y la presión. Cuando se deja de aplicar calor,

el vapor se enfría y se condensa, es decir vuelve a su

estado líquido.

Generación de Vapor

• A presión atmosférica normal, el agua tiene un punto de ebullición a 100ºC.

• A mayor presión el punto de ebullición se incrementa, hasta alcanzar un máximo punto de ebullición a 374°C a una presión de 3200 psi (220,63 bar). Por encima de esta temperatura el agua no existe como líquido.

Procesos físicos de generación de vapor

Calor

Presión

Temperatura

CONCEPTOS:

VAPORIZACIÓN:

Paso del estado líquido del agua al estado de vapor. Se

produce por evaporación o por ebullición.

EVAPORACIÓN:

Es la producción lenta de vapor en la superficie libre del

líquido a temperatura superiores a 0° La evaporación se

hace tanto más rápida cuando mayor sea la superficie del

líquido y temperatura.

EBULLICIÓN:

Si se calienta progresivamente un líquido contenido en un

vaso destapado, llega un momento en que se inicia la

ebullición, que es cuando toda la masa líquida se

comprenden burbujas de vapor que estallan

tumultuosamente en la superficie (el líquido hierve).

2. CALOR

El calor es una forma de energía. Todos los cuerpos están

formados por moléculas, las que siempre están en

movimiento. El calor es justamente esto.

“La manifestación del movimiento de las moléculas

de los cuerpos.”

Mientras más rápido se muevan las moléculas de un

cuerpo, más caliente estará el cuerpo.

Se dijo que el calor es una forma de energía, es decir, tiene

capacidad para producir un efecto. Los efectos más

conocidos del calor son:

• Cambio de estado físico

- Funde los cuerpos sólidos

- Evapora los líquidos

• Cambio de volumen

- Dilata los cuerpos sólidos

Todo cuerpo capaz de calentar a otro, se le considera como

fuente de calor

2.1 Transmisión del Calor

El Calor es una energía en tránsito, siempre pasa del

cuerpo de mas temperatura al de menor temperatura, esta

energía se puede transmitir de tres formas:

Conducción: a través de los sólidos

Convección : a través de los fluidos

Radiación : cualquier cuerpo caliente emite un tipo de onda

electromagnética denominada ondas o radiación infrarroja

que se propaga por el aire de una forma similar a la luz.

2.2 Conductividad Térmica

Facilidad o dificultad con que una sustancia transmite

el calor o se deja atravesar por él.

Esta conductividad variará de una sustancia a otra

para una misma sustancia, depende de la temperatura,

su peso específico y la humedad

2.3 Medición del calor

Hay dos parámetros que se pueden del calor:

• La cantidad de calor

• La temperatura

Como a menudo se confunden ambas cosas, veremos la

diferencia en el siguiente ejemplo:

Los cuerpos A y B de la figura, son de la misma sustancia,

pero el volumen y masa de A es el doble de B.

Si ambos están a la misma temperatura, tienen el mismo

grado de calor, pero A tiene el doble de cantidad de calor

que B.

CANTIDAD DE CALOR

Para poder medir el mayor o menor grado de calor, se ha

determinado una forma convencional y práctica de efectuar

su medición, llamada, Caloria

KCALORÍA:

Cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura

de 1 litro (1 Kilo) de agua en 1C°.

En el sistema de medidas Inglés, para medir cantidades de

calor se usa la unidad BTU, que es igual a la cantidad de calor

que se debe aplicar a una libra de agua para subir su

temperatura en 1ºF.

1 Kcal = 3,968 BTU 1 BTU = 0,252 Kcal 1 Kcal = 1.000 Calorías

Para calentar el agua y transformarla en vapor, se necesita

calor. Según ello tenemos

CALOR SENSIBLE DE VAPORIZACIÓN:

Es la cantidad de calor necesaria para calentar 1 litro de agua

(desde una tº inicial) 0C° hasta 100C°.

CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN:

Es la cantidad de calor necesaria para convertir 1 Kg de agua

que está a 100ºC , en vapor de agua a la misma temperatura.

El calor latente vale 537 a 539 para el agua a la presión

atmosférica normal. (utilizaremos 540 calorías)

CALOR TOTAL DE VAPORIZACIÓN:

Cantidad de calor necesaria para convertir 1 litro de agua

desde 0C° en vapor a 100C°

Ejemplos :

1.- ¿Cuantas Calorías se requieren para transformar

completamente en vapor a 100 °C, 2.400 litros de agua

que están a una temperatura de 15 °C.?

2.-Se necesitaron 1.958.400 Kcalorías para transformar

completamente en vapor a 100 °C 3.200 litros de agua.

¿Cuanto era la temperatura inicial del agua?

Si se añade calor al agua, su temperatura aumenta hasta que

alcanza un valor a partir del cual ya no puede subsistir como

líquido. A este valor lo llamamos "punto de saturación".

Cualquier nueva adición de energía provoca que parte del

agua hierva y se convierta en vapor

Esta evaporación requiere cantidades de energía

relativamente importantes y mientras ésta se está añadiendo,

el agua y el vapor formado permanecen a la misma

temperatura. Igualmente, si conseguimos que el vapor libere

la energía que se añadió cuando se formó, condensará y se

formará agua a la misma temperatura.

Vapor Seco y Vapor Húmedo

Hay que decir que las Tablas de Vapor muestran las

propiedades del llamado "Vapor saturado seco". Es un

vapor que ha sido evaporado completamente, es decir, no

contiene gotas de agua líquida. En la práctica, el vapor a

menudo arranca pequeñas gotas de agua, con lo que ya no

puede ser descrito como vapor saturado seco. Sin

embargo, es importante que el vapor utilizado para

procesos o calefacción sea lo más seco posible.

Tablas de Vapor

Son las gotas de agua en suspensión las que hacen visible al vapor húmedo. El vapor como tal es un gas transparente pero las gotas de agua le dan un aspecto blanquecino al reflejar la luz.

Generación del vapor

La energía calorífica se transmite a través de las paredes

del hogar de la caldera hasta el agua. Mediante la adición

de esta energía calorífica la temperatura del agua aumenta

y cuando alcanza el punto de saturación, hierve.

La energía calorífica adicionada que ha tenido como

efecto el aumento de la temperatura del agua, se

llama entalpía del agua saturada (símbolo hf).

El agua a una temperatura igual a la de su punto de

ebullición se llama agua saturada. La entalpía específica

del agua a 0°C se toma habitualmente como cero. La

capacidad calorífica específica del agua es de 4,186 KJ/Kg.

ºC.

Por lo tanto, aumentar la temperatura de 1 Kg de agua de

0°C a 100°C (punto de ebullición a la presión atmosférica)

requerirá una entalpía específica de agua saturada de

4,186 x 100 =418,6 KJ.

EFECTOS DEL AIRE EN LA TEMPERATURA DEL VAPOR

Cuando el aire y otros gases se meten al sistema de vapor

estarán ocupando parte del espacio que debería estar

ocupado únicamente por el vapor. Y la temperatura de la

mezcla aire/vapor va a ser menor que l que sería para

vapor puro. La figura 1 explica el efecto del aire en las

líneas de vapor. La Tabla 1 muestra la reducción en

temperatura causadas por diferentes porcentajes de aire a

varias presiones.

Ejemplo

Cámara de vapor – 100 % vaporPresión Total _ 10 bar (a)Presión de Vapor _ 10 bar (a)Temperatura del Vapor : 184 º C

Cámara de Vapor - 90 % vapor y 10 % airePresión Total - 10 bar (a)Presión del Vapor - 9 bar (a) Temperatura del Vapor 180 ºC

TIPOS DE VAPOR

a) Vapor Saturado.-

Es el vapor producido a la temperatura de ebullición del

agua. Este vapor puede estar exento completamente de

partículas de agua sin vaporizar o puede llevarlas en

suspensión. Por esta razón, el vapor saturado puede ser seco o

húmedo.

b) Vapor Sobrecalentado.-

Sí el vapor de agua saturado se le añade calor adicional,

manteniendo constante su presión, se puede obtener un vapor

seco a mayor temperatura llamado vapor sobrecalentado

3. TEMPERATURA

La temperatura es el nivel calórico de un cuerpo, sin

importar la cantidad de calor que éste contenga.

UNIDADES DE MEDIDA

La temperatura se mide en grados. Existen diferentes escalas pero

las más usadas son los grado centígrados o Celsius (°C) en el

sistema métrico, y los grados Fahrenheit (° F) en el sistema inglés.

Los instrumentos para medir temperaturas se llaman termómetros. Los más comunes son los de mercurio

Para temperaturas altas (sobre 500 ° C) se usan otros

instrumentos llamados pirómetros. Los más comunes son los

pirómetros eléctricos.

CONVERSIÓN DE UNIDADES a) Conversión de grados Fahrenheit a grados Celsius. Fórmula:

Ejemplo 1: Un termómetro está marcando 68° F. Calcular a cuántos grados Celsius corresponde b) Conversión de grados Celsius a grados Fahrenheit.

Fórmula:

º F = 9 X º C + 32 = 1,8 X ºC + 32 5 Ejemplo 2: Un termómetro está marcando 68 °C. Calcular a cuántos grados Fahrenheit corresponde.

4 . PRESION

Presión es la fuerza ejercida por unidad de

superficie. Es decir, si aplicamos una fuerza de 10 Kgs.

en una superficie de 5 cm2, significa que en cada cm2

(unidad de superficie), se está ejerciendo una fuerza de

2 Kgs. Luego, la presión es de 2 Kgs. por cada cm2.

P = F/S = 10/5 =2 Kgs/ cm2

TIPOS DE PRESIÓN

a) Presión Atmosférica.-

Es la presión que ejerce sobre la tierra, el aire que la rodea. Varía

para cada lugar según sea la altura en que se encuentra con

respecto al nivel del mar.

b) Presión Efectiva:

Es la presión existente en el interior de un recipiente cerrado.

c) Presión Absoluta.-

Es la suma de la presión atmosférica y la presión efectiva.

UNIDADES DE MEDIDA Y EQUIVALENCIAS

1 Kg/ cm2 = 14,24 lb/pulg2 1 Lb/ pulg2 = 0.0702 Kg/cm2

1 Atm = 1,033 kg/cm2 1 Atm = 14,7 lb/plug2

1 Kg/cm2 = 1 Bar 1 Lb/pulg2 = 1 PSI

INSTRUMENTOS DE MEDICION

a) Manómetros .-

Indican la presión efectiva en el interior del recipiente. Pueden

estar graduados en Kgs/cm2, Bar, PSI, Lbs/ pulg2

b) Barómetros.- Sirven para medir la presión atmosférica.

Un manómetro