CONSTRUCCIONES E INSTALACIONES INDUSTRIALES · • Porque es accesible en gran parte del mundo y se puede conseguir a un costo relativamente bajo. (Disponibilidad) • Es químicamente

TEMA: PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA

INGENIERÍA DEL VAPOR Docente: Ing. Roberto R. Burtnik. Dto de Ing. Electromecánica. Carrera: Ingeniería Industrial

CONSTRUCCIONES E INSTALACIONES INDUSTRIALES

CURSO 2020

OBJETIVOS DEL TEMA

• Comprender cómo se forma el vapor de agua.

• Conocer cuáles son sus propiedades y como estas varían en función de la presión

• Conocer los principales usos del vapor.

Todo comenzó con la idea de convertir el calor en energía

mecánica, para sustituir la fuerza del hombre o la fuerza

animal y reducir los tiempos.

INTRODUCCIÓN

El vapor de agua es el gas que se forma cuando el agua pasa

del estado líquido al estado gaseoso.

¿Qué es el Vapor de Agua?

Vapor y Gas, ¿Cuál es la diferencia entre uno y otro?

¿Qué dio origen al uso del vapor de agua?

INTRODUCCIÓN

El vapor tomó relevancia a partir del siglo XVIII y a principios

del siglo XIX con la máquina de vapor.

La primera máquina que realmente tenía fines prácticos la

inventó Thomas Newcomen, y su socio Thomas Savery, en

1712 para bombeo de agua de las minas de carbón en

Inglaterra.

Luego en 1774, James Watts mejoró esa máquina para la

industria textil que dio origen a la revolución industrial.

Después aparecieron las locomotoras con la industria minera

y posteriormente el transporte naval que dio origen a la

inmigración.

Un poco de historia - Máquinas a Vapor En 1765-1774, en Kinneil, Inglaterra, James Watt mejoró

la creación de Newcomen y Savery.

En 1804 Richard Trevithick, implemento la

máquina de Watt en trenes

John Fitch 1787 - En 1807, Robert Fulton puso en marcha

la primera línea de navegación fluvial a vapor entre Nueva

York y Albany en 32 hrs.

En 1880 aparecen los primeros motores a vapor

con fines de generación de la firma Sulzer.

• Puede transportar grandes cantidades de energía térmica con

poca masa.

• Posee excelentes cualidades para transferir calor.

• Su temperatura puede regularse controlando su presión.

¿Porqué usamos agua para producir vapor?

• Porque es accesible en gran parte del mundo y se puede

conseguir a un costo relativamente bajo. (Disponibilidad)

• Es químicamente estable a diferentes presiones y temperaturas de

trabajo.

• No es tóxico, ni corrosivo sin la presencia de Oxigeno Disuelto.

INTRODUCCIÓN

Actualmente el vapor se sigue usando como un medio de

transporte de energía térmica para aplicaciones de calefacción

y generación de energía eléctrica, principalmente; entre otras.

• ¿Cuál es la diferencia entre el calentamiento con vapor, y el

calentamiento con agua o aceite?

• Calentamiento con vapor saturado: el vapor calienta por cambio

de estado (cambio de fase). Pasa de la fase gaseosa a la fase

líquida sin modificar su temperatura. (Calor Latente).

• Calentamiento con agua o aceite: calientan por pérdida (ó

descenso) de su propia temperatura. (Calor Sensible)

• Qué ventajas ofrece?

• Para una misma diferencia de temperatura, se acortan los tiempos de

calentamiento debido al mayor flujo de calor por unidad de superficie de

intercambio. (Menor capa límite y caída de presión)

• Por otro lado la cantidad de calor que entrega cada Kgr de vapor es 2 a 5

veces mayor que la cantidad de calor que puede entregar cada Kgr de

agua caliente (Por ejemplo agua saturada después de la condensación).

Recuerden: El calor no se acumula.

Existe cuando se transfiere.

• Velocidad de Calentamiento: La velocidad con que el calor se

transfiere de un medio a otro se mide por el coeficiente global de

transferencia de calor, es decir:

[Kcal/m² ºC]

• Por ejemplo, la relación a la cual el agua transfiere calor a la

superficie es:

860 a 5000 [Kcal/m² ºC]

• Mientras que, la relación a la cual el vapor transfiere el calor a la

superficie de un intercambiador de calor, es:

5000 a 13000 [Kcal/m² ºC]

• Se debe aclarar que este coeficiente de convección varía mucho de un

intercambiador de calor a otro, pero aún así el calentamiento con vapor

muestra una relación de 2 a 5 veces más de capacidad de calentamiento

que con agua.

• Estabilidad: En el caso particular de calentar con vapor

saturado, si se conoce la presión de vapor se puede

determinar su temperatura. Entonces si la presión en el

intercambiador de calor se mantiene, el calentamiento o flujo

de calor por unidad de área de intercambio será la misma y

además se tendrá uniformidad de temperatura en cualquier

punto de la superficie de transferencia de calor.

http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/steam-heat-transfer.html

PROPIEDADES DEL AGUA Y EL VAPOR

• Su punto de ebullición cambia con la presión.

Por ejemplo, a la presión atmosférica en la cima del Everest

(Himalaya/India/China), el agua hierve a unos 68 ºC,

mientras que al nivel del mar este valor sube hasta 100 ºC.

• Símbolo Químico del agua pura: H2O

• El calor específico del agua a 15 ºC: 1 Kcal/Kg ºC.

• Peso especifico: 1 Kg/lt = 1000 Kg/m3 a 4 °C y a 101.3 kPa.

• Compresibilidad: Muy baja cuando está en estado líquido.

¿Cómo se forma el vapor?

100oC

hl : 100 Kcal/kg

0 bar

Presión reinante igual a

la presión ambiente.

Cilindro 100% aislado

Pistón Libre de

Rozamiento

hv: 639 Kcal/kg de vapor Seco

¿Cuánta agua hay en su caldera?

¿Cuánta energía tiene almacenada su caldera? Imagen: El libro del Vapor – Spirax Sarco

Febrero 1997

12

184 oC

10 bar

hv : 664 Kcal/kg de

Vapor Seco

¿CUALES SON LOS EFECTOS DE LA PRESIÓN

SOBRE LA FORMACION DE VAPOR?

Pistón Libre de

Rozamiento

Ahora colocamos un peso

que ejerza una presión

sobre el líquido,

supongamos 10 bares.

Concepto: Relación entre la temperatura del vapor y su presión

hl : 184 Kcal/kg

Se puede formar vapor sin aporte de calor? Vapor flash o Revaporizado

Imagen: El libro del Vapor – Spirax Sarco – Febrero 1997

A mayor presión el punto de

ebullición se incrementa

EFECTOS DE LA PRESION SOBRE EL CONTENIDO

DE ENERGIA EN FORMACION DEL VAPOR

Presión = 1 kg/cm2 Abs. Presión = 10 kg/cm2 Abs


14

EFECTOS DE LA PRESIÓN SOBRE EL

VOLUMEN ESPECÍFICO DEL VAPOR

A presión atmosférica

Agua Líquida, v: 1 l/kg A 10 Bares v: 177 l/kg

A presión atmosférica

v: 1673 l/kg


TABLAS Y DIAGRAMAS DEL VAPOR DE AGUA

• A partir de numerosos ensayos se ha comprobado que existe una relación bien definida entre la presión y la temperatura con que el agua se satura y se forma el vapor, junto con las demás propiedades como su contenido de energía y su volumen específico.

• Por tal motivo y para fines práctico estos valores se han agrupados en tablas.

• También existen diagramas.

16

Resumen de una Tabla de Vapor Saturado Según la Presión

Entalpía en kcal/kg

Presión

Manom.Temp. Agua Evaporación Vapor

Volúmen

específico del

vapor

Bar m ºC hf hfg hg m3/kg

0 100 100 539 639 1,673

1 120 120 526 646 0,881

2 134 134 517 651 0,603

3 144 144 510 654 0,461

4 152 152 504 656 0,374

5 159 160 498 658 0,315

6 165 165 494 659 0,272

7 170 171 489 660 0,24

8 175 176 485 661 0,215

9 180 181 482 663 0,194

10 184 186 478 664 0,177

11 188 190 475 665 0,163

12 192 194 472 666 0,151

13 195 198 469 667 0,141

14 198 201 467 668 0,132

Diagrama Temperatura – Entalpía de Vapor de Agua

Aproximadame

nte 180 ºC

Aproximadame

nte 180 ºC

EFECTOS DE LA PRESIÓN EN LA TRANSMICION DEL CALOR Y FORMACION DEL VAPOR

El tamaño de la burbuja de vapor también depende de la presión. Este

efecto es sumamente importante en la operación del generador de Vapor.

19

VAPOR SATURADO SECO VS VAPOR HÚMEDO,

¿Cuál es la diferencia?

Si mi caldera produce vapor húmedo a

que temperatura esta el vapor?

Qué perjuicios ocasiona producir vapor húmedo?

Cómo mejoro la calidad del vapor que genero?

Cuáles son las causas por las cuáles mi caldera

produce vapor húmedo?

¿?

Vapor saturado seco es aquel que no tiene gotitas de agua líquida en

suspensión. La mezcla de agua en estado líquido y en estado

gaseoso recibe el nombre de vapor húmedo.

¿El vapor que genera una caldera, es saturado o es húmedo?

MEDIDA DEL TÍTULO O CALIDAD DEL

VAPOR

¿Cómo se puede medir el título de vapor?

SISTEMAS PARA MEJORAR LA CALIDAD

DEL VAPOR EN LA DISTRIBUCIÓN

http://www.spiraxsarco.com/global/es/

Products/Documents/IM/P023-55.pdf

http://teyvi.es/author/admin/

Separadores de gotas:

• Eliminan la humedad del vapor.

• Mantienen la eficiencia de transferencia de

calor.

• Reducen la erosión y corrosión en su

sistema de vapor.

• Reducen las incrustaciones en la tuberías

y superficies de transferencia de calor.

Manifold

¿DÓNDE SE USA EL VAPOR SATURADO?

Algunos ejemplos de Intercambiadores de calor

http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/heating-with-

steam.html

Purgador

Eliminador aire

Marmita Practical steam trapping

Spirax Sarco

Imagen: Spirax Sarco


¿Qué parte de la energía del vapor se aprovecha en estos equipos?

CONDENSACIÓN DEL VAPOR

El proceso de condensación es exactamente inverso al proceso de la

ebullición.

Cuando se añade calor el agua se convierte en vapor. Cuando el vapor

cede ‘calor’ se condensa a temperatura constante.

El agua así formada recibe el nombre de ‘CONDENSADO’. Ingreso de Vapor a un

intercambiador caliente

(Baja Demanda de Energía)

Ingreso de Vapor a un

intercambiador inicialmente

frío (Alta demanda de Energía)

Qué pasa cuando tenemos anegamiento en un intercambiador de calor que

usa vapor? Cómo puedo saber si los radiadores que tengo trabajan anegados?


PROBLEMAS EN LA TRANSFERENCIA DE CALOR

• Una película de agua de sólo 0,25 mm. de espesor ofrece la

misma resistencia a la transferencia de calor que una pared de

hierro de 17 mm. o una de cobre de 130 mm.


http://www.monografias.com/trabajos106/curso-vapor-purga-y-

eliminacion-aire-instalaciones-industriales/curso-vapor-purga-

y-eliminacion-aire-instalaciones-industriales3.shtml

• Mientras que una película de aire de sólo 1 mm. de espesor puede

ofrecer la misma resistencia al flujo de calor que una película de

agua de 25 mm, una de hierro de 1700 mm.

USO DE LAS TRAMPAS PARA VAPOR

• Las trampas para vapor son válvulas automáticas que

permiten descargar condensado (y en algunas gases

incondensables como el aire), sin dejar escapar el vapor.

• Si están bien seleccionadas evitan el anegamientos en los

intercambiadores (y tuberías de distribución).

• Prácticamente eliminan las pérdidas innecesarias de vapor

cuando hay baja demanda.

• Purgar gases incondensables.

• Las trampas se dividen en

tres grandes grupos:

• Trampas Termostáticas

• Trampas Termodinámicas

• Trampas Mecánicas

En cualquiera de ellas su

capacidad de descarga

depende principalmente de su

tamaño y de la presión

diferencial que han de trabajar.

TIPOS DE TRAMPAS PARA VAPOR


VAPOR FLASH O REVAPORIZADO

Descarga depresión la a latententeCalor

(kJ/kg) Agua del senciblecalor de Exceso.Re.Pr vapop

¿Dónde frecuentemente se genera vapor flash?

EJEMPLO DE RECUPERACION DE FLASH

Imagen tomada de Spirax Sarco Imagen: El libro del Vapor – Spirax Sarco – Febrero 1997

CIRCUITO DEL VAPOR • VAPOR PARA PROCEOS INDUSTRIALES DE CALEFACCION:

Analicemos el ciclo del agua…..

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VAPOR SOBRECALENTADO

(Vapor para potencia) Es vapor que se recalienta a una temperatura por encima de su punto

de saturación (Temperatura a la cual el vapor se formó), lo que

significa que su estado queda definido por su presión y su

temperatura. ¿Dónde normalmente se usa?

Normalmente se usa para el accionamiento de

turbinas de vapor con fines de generación de

energía eléctrica y propulsión de bombas.

http://www.powerengineeringint.com/articles/print/volume

-24/issue-4/features/advancing-steam-turbine-

technology.html

Sobrecalentador

EJEMPLOS DE CALDERAS DE POTENCIA

http://sdhengtao.en.made-in-china.com/product/aKOnhSCPlskL/China-

Import-Boiler-Parts-Steam-Boiler-Super-Heater-From-China-

Supplier.html

http://links.itaringa.net/out?http://calderasdefiniciones.blogspot.com/

MUCHAS

GRACIAS POR

SU ATENCION!!!

Ing. Roberto Burtnik