Calculos basicos aplicados a la agroindustria producción del vapor

CALCULOS BÁSICOS APLICADOS A LA I N G E N I E R Í A

AGROINDUSTRIAL TEXTO DE CONSULTA Nº 2

BALANCE DE ENERGÍA

Diego Francisco Granja Ruales, M.h.Sc.

1992 - 2008

“… Lo que primero una persona debe aprender en sus estudios Superiores…, es que toda educación es SIEMPRE AUTOEDUCACIÓN, y que solamente aprenderá lo que de una manera DIRECTA reclame sus interés o exija una detenida atención de su parte.”

(José Ibarz Aznárez)

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PRESENTACIÓN Al escribir el presente compendio, fruto de una larga recopilación bibliográfica durante mi carrera estudiantil y sintetizada con la experiencia práctica de la vida profesional; se ha querido presentar los temas en forma útil, tratar de difundir conceptos, su técnica y su aplicación de una manera fácil y con un idioma comprensible; el mismo que servirá como texto de consulta para profesionales que están trabajando en esta área o como guía para estudiantes.

El presente texto de consulta no pretende ser completo, pero aspira que llene en forma clara y concisa los fundamentos básicos para interpretar los cálculos y poder con ellos resolver los grandes problemas y encontrar las mejores soluciones en el tratamiento para los procesos agro-industriales de nuestro país.

Atentamente, Diego Francisco Granja Ruales, M.h.Sc.

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ANTECEDENTES La energía mueve la sociedad. Los incomparables avances económicos y tecnológicos del mundo civilizado, están ligados al aumento de la cantidad de energía disponible para llevar a efecto las tareas antes realizadas mediante el esfuerzo muscular del hombre. La disponibilidad de bienes y servicios y la productividad industrial en general están directamente relacionadas con el consumo de masa y energía.

Actualmente la masa y energía de diversas fuentes se produce cada vez a mayor costo y deben tenerse en cuenta los factores ambientales involucrados en todos los esquemas de conversión. Por tales razones deben prestarse atención extrema a la utilización eficiente de la materia y energía.

La termodinámica suministra la base científica para analizar esquemas de conversión energética y es, por tanto, piedra angular para la comprensión de las tendencias futuras del consumo de energía y de su impacto socioeconómico.

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3.- BALANCE ENÉRGETICO 3.1.- EL CALOR. Pocos conceptos son tan familiares como el del calor, cosa entendible, dada la importancia fundamental del calor en la economía del mundo.

Sin calor no hay vida. Son muchos los animales y el ser humano que necesitan. Antes que la luz y el aire, el CALOR materno y nosotros buscamos siempre, consiente e inconscientemente, un estado CALORIFICO APROPIADO que nos asegure la existencia y el bienestar.

La muerte puede sobrevenir tanto por falta de calor como por exceso del mismo.

Para la ciencia moderna, el calor no es más que una forma de la energía. Por lo tanto dar calor a un cuerpo equivale a aumentar el contenido energético del mismo.

EL CALOR, es susceptible de convertirse en trabajo mecánico (por ejemplo en una máquina de vapor), y por otra parte, a causa del rozamiento se pierde energía mecánica y aparece una cantidad de calor equivalente.

EL CALOR, es considerado hoy en día, como energía en forma de movimiento desordenado de los constituyentes elementales de la materia.

3.2.- LA TEMPERATURA, PROPAGACIÓN DEL CALOR El concepto de la temperatura deriva, primeramente entre las sensaciones que experimentamos al tocar los OBJETOS, que nos INDUCEN a clasificarlos en CALIENTES Y FRÍOS. Hemos dicho que el CALOR es una FORMA DE ENERGÍA. Cuando COMUNICAMOS a un cuerpo una CANTIDAD DE CALOR, generalmente AUMENTA LA TEMPERATURA de dicho cuerpo. Cuando dos cuerpos están a distinta temperatura se ponen en CONTACTO intercambian calor, lista la total nivelación (equilibrio térmico). En este sentido el calor se PROPAGA y la razón que facilita la propagación del calor se llama CONDUCTIVIDAD. Por lo tanto también se puede decir:  Con los cuerpos en contacto, el calor se propaga por CONDUCCIÓN de los cuerpos sólidos calientes a los fríos.  ES consecuente decir PROPAGACIÓN POR CONDUCCIÓN porque existen otros medios de propagación del calor: -

El calor del sol, por ejemplo nos llega por radiación ( propagación de radiación).

En los líquidos que se calientan dentro de ollas, el calor se propaga por convección.

3.3.- DILATACIÓN DE LOS CUERPOS POR EL CALOR Admitiendo que el CALOR es un resultado de la agitación molecular de esta agitación puede traducirse en una aumento de volumen esto es una dilatación. En forma general se puede decir que todo aumento de temperatura trae consigo un aumento de volumen.

La dilatación de los cuerpos por el calor se utiliza, como se sabe pasa a medir la temperatura por medio de los TERMÓMETROS. Se aprovecha la dilatación experimentada por el mercurio en el interior de los tubos de vidrio en los que se han practicado al vacío.

El coeficiente de la dilatación es para el mercurio 0,00054. La formula para la dilatación de volumen es representado por Vo y VE los volúmenes 0º y a tº:

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V = Vo (1 + Bt): En donde B es el coeficiente de dilatación de volumen.

En la construcción de los termómetros se eligen como puntos de referencia y por los valores que se dirán, la graduación que se hace a partir de la temperatura del hielo fundente y la del agua hirviendo.

Si se divide en cien (100) parte del espacio reconocido, al pasar desde la primera hasta la segunda de la temperatura dicha, el termómetro es CENTIGRADO y se habla de grados CENTIGRADOS O DE CELSIOS. 3.4.- LA CALORIA Y EL CALOR ESPECÍFICO: ES evidente que pasa a calentar 2 litros de agua hasta la ebullición, se necesita más calor que para llenar el mismo estado en solo litro. En el primer caso habrá un gasto de energía doble que en el segundo sin precisar ahora cómo ha de conseguirse esta energía, podemos atender sólo al calor y considerar un concepto importante con el relacionado: CANTIDAD DE CALOR. La cantidad de calor se mide precisamente por la operación antes indicad: El calor que se necesita suministrar a 1gramo de agua para elevar su temperatura en 1ºC, se toma por unidad y se llama CALORIA ( se define como mayor precisión como la cantidad de calor necesario para hacer pasar 1g de agua desde 14.5º lista 15.5ºC ) . A veces se hace uno de la KILOCALORIA, que se refiere a 1g de agua, y es, naturalmente mil veces mayor que la caloría.

Determinado que cantidad de calor hay que suministrar a cuerpos diversos para elevar su temperatura en el mismo número de grados, se observa que en ello interviene la naturaleza de la sustancia, expresada por una CAPACIDAD CALORIFICA. Se llama CALOR ESPECÍFICO de una sustancia del número de calores que ha de adsorber 1g de la misma pasa aumentado su temperatura en 1ºC. De lo dicho al definir la caloría, resulta que el calor específico del agua vale precisamente la unidad.

Calor Específico del agua = 1 ES de notan que el calor específico de la sustancia vacía algo con al temperatura supongamos, que se trate de hacer pasar un peso P de las sustancias desde la temperatura t hasta t’ sí representamos por Q la cantidad de calor absorbido, tendencias, llamando c al Calor específico: Q = Pc ( t’ - t) Agua (de 14.5º a 15.5ºC) --------- 1 Agua

18º -----------------------------0.999

Hierro ----------------------------------0.111 Supongamos, por ejemplo, una camilla de hierro de 100gr. De peso en una temperatura de 20ºC, para calcular la lista de los 50ºC, necesitamos un número de calorías igual al producto de 100gr. Por 30 (diferencia de grados de temperatura) y por el calor específico (0.111).

Nótese cuando de dice CALENTAMOS un cuerpo, no solemos referirnos del calor (cantidad de calor suministrado), sino a la diferencia de temperatura logrado. Por mucho calor que se suministre a un 1 litro de agua en ebullición contenido en una olla común, si la hola esta abierta la temperatura del líquido no podrá exceder a los 100ºC a la precisión ordinaria lo impide la VAPORIZACIÓN del líquido, que absorbe todo el calor que se le suministra.

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3.5.- DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO. S fundamenta en la mezcal de sustancias que nos sirve de prueba, con otra de calor específico conocido generalmente el agua.

Si sumergimos el cuerpo A cuyo calor específico tratamos de determinar en cierta cantidad de agua u otra líquido ( B ) , en el supuesto de que A esta en una temperatura tA distinta de la de B, expresamos por tB ( supongamos que tB < tA ) se establecerá inmediatamente un intercambio de calor, listo que, finalmente, A y B estarán a la misma temperatura t . Sea CA el calor específico de A; aplicando la fórmula anterior, obtendremos para la cantidad de calor perdido: QA = PA CA (tA - t) El calor que ha captado B se calcula por la misma fórmula en el caso del agua, como: CB = 1, tomar simplemente: QB = PB 1: (t - tB) Y como, evidentemente, ambos cantidades de calor son iguales (QA = QB) tendremos: PA CA ( tA - t ) = PB ( t - tB ), Y por lo tanto: PB (t -tB) CA = PA (tA - t) El resultado se expresa en calorías, los aparatos los aparatos que se usan para practicar estas mediciones se derramaran calorímetros.

3.6.- TERMONOLOGÍA Y UNIDADES. Entalpía.

Es el término utilizado para designar la energía total debida ala presión y ala temperatura, de un fluido líquido a vapor, (tales como el agua y el vapor), el cualquier momento y condiciones dadas. La unidad básica de medida en cualquier tipo de energía es el joule (símbolo J). Puesto que el joule representa una cantidad de energía muy pequeña, actualmente se multiplica por 1000 y se trabaja en kilojoules (KJ).

Entalpía Específica.

Es la entalpía (energía total) de una unidad de masa (kg). Las unidades normalmente usadas son kj / kg.

Capacidad Calorífica Específica.

Es la medida de la capacidad que posee una sustancia para absorber calor y se define como la cantidad de energía (joules) requerida para aumentar 1ºC a 1 kg, de esa sustancia. Se expresa en kj / kg ºC. La capacidad calorífica específica del agua es de 4,186 kj / kg ºC. Significa que un aumento de entalpía de 4,186 kj hará aumentar en 1ºC la temperatura de 1 kg de agua.

Presión Absoluta y Presión Atmosférica.

A la situación teórica de vacío perfecto o ausencia total de presión se llama “cero absoluto “. Presión absoluta es la ejercida por encima de

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este cero absoluto. La presión atmosférica es de 1,013 bar abs. A nivel del mar.

La presión manométrica es la que se lee en manómetro Standard instalado en el sistema. Puesto que esta presión es la existente por encima de la atmosférica, cero del dial del manómetro es el equivalente a unos 1,013bar abs.

Así, una presión de 3 bar (relativos) en el manómetro.

abs implicará la lectura de 1,987 bar

Las presiones por debajo del cero relativo se expresan en milibar ( mil milibar = 1 bar ). Nota 1 bar = 100 k Pa ( Pa = Pascal ).

Calor y Transferencia de Calor.

El calor es una forma de energía y como tal es parte integrante de la entalpía de un líquido o gas. La transferencia de calor es el flujo de entalpía de una materia de alta temperatura a otra de temperatura menor, cuando se les pone en contacto.

Se debe recordar que lo que se acaba de definir entalpía se definía antiguamente como Calor Total, el cual era la suma del Calor Sensible y del Calor Latente (equivalentes a la entalpía del agua y a la Entalpía de evaporación que definimos a continuación).

Entalpía de Agua Saturada.

Supongamos que disponemos de agua para llenar una caldera a presión atmosférica a una temperatura de 10ºC y que el agua inicia la ebullición a 100ºC. S e requieren 4,186 kj para aumentar en 1ºC cada kg de agua. El aumento de Entalpía será de 376,74 kj (90 x 4, 186) al aumentar la temperatura de 10ºC a 100ª C. Si al caldera es de 10.000 litro (10.000 kg) el aumento de Entalpía para llevar el agua hasta su punto de ebullición es de 376,74 kj / kg x 10.000 kg = 3.767.400 kj.

Recordemos que este valor no es entalpía del agua saturada sino simplemente el aumento de entalpía requerido apara aumentar la temperatura del agua de 10ºC a 100ºC. El punto de partida en las tablas de vapor es agua a 0ºC, valor que se supone el contenido calorífico es cero para cualquier propósito, (El calor absoluto contenido sería considerable si tomáramos como el calor cero el del cero absoluto, equivalente a -273ºC ). La entalpía especifica del agua saturada a 100ºC es por tanto 100 x 4,186 = 418,6 kj.

Entalpía de Evaporación.

Supongamos que por un momento el vapor que se va formando se puede descargar libremente a la atmósfera. Cuando el agua ha alcanzado los 100ºC, se continúa transfiriendo calor de agua al horno pero la temperatura no sigue aumentado. El calor adicional se usa para evaporizar al agua y convertirla en vapor. La entalpía que produce un cambio de estado de líquido a gas sin variación de temperatura se llama “Entalpía de evaporación “. La entalpía de evaporación es la diferencia entre la entalpía de agua saturada y la del vapor saturado seco.

Entalpía del Vapor Saturado.

Hemos visto que el vapor generado en una caldera contiene una entalpía que es la suma de otras dos. Esta suma de entalpías se conoce como “Entalpía del vapor saturado “. En cada kg. de masa de vapor a 100ºC

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y a presión atmosférica, la entalpía del agua saturada es de 419 kj, la entalpía de evaporación es de 2.257 kj, y la entalpía del vapor saturado es por tanto 2.676 kj. Estos valores están tomados de las tablas de vapor que veremos con más detalle más adelante.

Por supuesto, la proporción entre la entalpía del agua saturada y la de la evaporación permanece constante a una presión dada, cualquiera que sea la cantidad de vapor afectado. Por ejemplo, si estuviésemos considerando una masa de 100kg. De vapor en el lugar de 1 kg., cada uno de los valores del párrafo anterior debería ser multiplicado por 100.

Presión del Vapor.

Ya hemos mencionado el término “presión atmosférica “. Es simplemente la presión que ejerce la atmósfera terrestre sobre todas las cosas y en todas las direcciones. La unidad de presión en el sistema internacional (SI) es el bar (1 bar = 100 kPa). La presión ejercida por la atmósfera cuando está hirviendo a 100 ºC es de 1,011325 bar. Es un valor tan próximo a 1 bar, que la aproximación es suficiente en la mayor parte de casos prácticos.

Volvamos la cilindro imaginario, con su pistón libre de razonamientos que hemos mencionado antes. Si el agua es calentada en el cilindro hasta que se produce vapor, esta llenará la parte inferior del pistón hasta que la presión del vapor y el agua se equilibren con la ejercida por la presión cargado. En este momento, si de produce más vapor, empujará el pistón hacia arriba debido a la mayor movilidad de las moléculas y la presión permanecerá constante.

Si pudiésemos introducir más agua en el cilindro para mantener su nivel, se irá formando mas vapor que empujaría más arriba el pistón. A partir del omento en que el pistón no pudiese subir más, si se siguiese formando vapor, la presión aumentaría.

Ya hemos dicho que si el cilindro o caldera se opera a una presión superior a la atmósfera, la temperatura del agua saturada y del vapor es superior a los 100ºC. Si la presión fuese de 10 bar abs, la temperatura de saturación del agua sería de 180ºC. Para alcanzar esta mayor temperatura, el agua tendría una mayor cantidad de “Entalpía del agua saturada “.

Por otra parte encintramos que entalpía de evaporación necesaria para convertir el agua saturada en vapor es menor a medida que la presión aumentada. A presión elevada las moléculas de vapor tiene menor grado de libertad y por tanto la cantidad suplementaría de energía necesaria para separarlas del agua (donde ya están a un alto nivel de energía) es menor. A muy altas presiones, hacia los 221 bar, el nivel de energía de las moléculas de agua, con lo que se anula entalpía de evaporación.

Volumen de Vapor.

Si 1 kg (masa) de agua (1 lt. En volumen) se convierte totalmente en vapor, el resultado será exactamente 1 kg (masa) de vapor. Sin embargo, al comentario de lo que ocurre con el agua el volumen ocupado por una masa dada de vapor depende de su presión. A la presión atmosférica, 1kg de vapor cupa unos 1,673 m3. A la presión de 10 bar abs, el mismo kg. De vapor solo ocupa 0,1943 m3. el volumen de un kg. de vapor a una presión dada en su volumen específico (Vg). El volumen

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ocupado por una unidad de masa de vapor diminuye cuando la presión aumenta. Viene representando en forma gráfica.

TRANSMISIÓN DE CALOR. La transmisión de calor es el flujo de energía térmica que fluye a través de las sustancias o cuerpo más caliente hacia el más frío. La temperatura nos indica la intensidad o nivel calorífico medido en Grados Fahrenheit o Centígrados y el calor no indica la cantidad de energía expresada en BTU (BRITISH TERMAL UNIT) o en Kilocalorías.

EL CALOR PUEDE TRANSMITIRSE POR TRES FORMAS DIFERENTES: CONDUCCIÓN: El calor se transmite por conducción cuando, como consecuencia de una diferencia de temperatura, el calor fluye a través de un sólido la zona de temperatura más elevada a la zona de temperatura más baja.

CONVECCIÓN: Se dice que el calor transmite por convección cuando ello se realiza por un movimiento tal como flujo de un fluido o de un gas. A veces resulta difícil distinguir entre conducción y convección, ya que con frecuencia ambos procesos tienen lugar simultáneo.

RADIACIÓN: Es la transmisión del calor a través del espacio por medio de la emisión de energía en forma de ondas electromagnéticas desde un cuerpo mayor temperatura a otro de menor temperatura.

La ley de Newton referente a la conducción, que es fundamental, establece que la caída de temperatura a través de una sustancia es directamente proporcional a la diferencia de temperatura, directamente proporcional a la presión e inversamente proporcional al camino del flujo. El flujo constante de energía puede expresarse así: cantidad de flujo = fuerza impulsora / la resistencia Q = KA ( To - T1 ) / L donde K es una constante, T es la fuerza impulsora y L / KA es la resistencia.

FLUJO DE CALOR A TRAVES DE VARIAS SUBSTANCIAS EN SERIE: Si tenemos varias substancias diferentes en serie, cada uno de ellas tiene un espesor determinado, una conductibilidad determinada y una caída de una temperatura determinada, por consiguiente, la caída total de temperatura parciales. Tomando en cuenta que el flujo de calor a través de los materiales del mismo llegamos a una ecuación general Q = (T – To) / (R1 + R2 + R3 +…Rn).

TEORIA DE LAS PELICULAS El estudio de los fluidos ha determinado la importancia de tomar en cuneta las películas que obstruyen los fluidos en la transmisión de calor tanto del lado de temperatura elevada como en el lado baja temperatura de las paredes metálicas. La resistencia que ofrecen estas películas pueden ser veces mayor que la resistencia que ofrecen las paredes por sí mismas. Estas películas se adelgazan con el aumento de temperatura y velocidad o con la disminución de la viscosidad. ¿QUÉ ES EL VAPOR? Como otras sustancias el agua puede estar en estado sólido, llamado hielo, en estado líquido es cuando la llamamos agua o como gas, llamamos vapor. En este caso c. Si se añade vapor de agua concentremos la atención en las fases líquido y gas y en el cambio de una fase a otra. Si se añade calor de agua, su temperatura aumenta hasta que alcanza un valor a partir del cual ya no puede subsistir como líquido. A esta valor lo llamamos “punto de saturación“. Cualquier nueva edición 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 permanece a la misma temperatura. Igualmente

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si conseguimos que el vapor libere la energía que se añadió cuando se formó agua a la misma temperatura. ¿POR QUÉ SE USA EL VAPOR? El vapor ha sido utilizado como vehículo de energía desde la REVOLUCIÓN INDUSTRIAL. Después de su primera utilización para preparar alimentos, se ha convertido en una flexible y versátil herramienta para la industria cuando esta necesita algún tipo de calefacción. ¿Por qué? Sencillamente porque el vapor se produce evaporando agua que es relativamente barata y accesible gran parte del mundo.

Su temperatura se puede ajustar con mucha precisión controlando la presión mediante el uso de válvulas muy simples; transporta cantidades de energía relativamente importantes con poca masa y cuando vuelve a convertirse en agua sede cantidades notables de energía que se transmite al medio que está calentado, con lo que las unidades calefactores no deben ser excesivamente grandes.

PRODUCCIÓN DEL VAPOR. Quizás la mejor manera apara explicar la formación del vapor es considerar un experimento imaginario.

Supongamos que tomamos un cilindro con la parte inferior tapada y rodeado de aislante 100% eficiente, con lo que hay pérdidas de calor a través del mismo. Si introducimos al cilindro 1 Kg. de agua a la temperatura de formación del hielo, 0ºC, podemos utilizarlo como punto de referencia y decir que para nuestro propósito su contenido de calor, o entalpía, es 0. Cualquier adición de calor de agua hará aumentar su temperatura, hasta que alcanza los 100ºC (puesto que el cilindro esta abierto en su parte superior, al agua se le aplica únicamente presión atmosférica). Cualquier aumento adicional de entalpía hace que el agua no pueda seguir manteniéndose en fase líquida y una parte hierva convirtiéndose en vapor.

La entalpía total retenida por cada Kg. de agua líquida a la temperatura de ebullición se llama “Entalpía específica de agua saturada “y se designa con el símbolo “HF”.

La entalpía adicional necesaria para convertir 1kg de agua en vapor se llama “Entalpía específica de evaporación “y se designa con el símbolo “hf”.

La entalpía adicional necesaria para convertir u 1 kg de agua en vapor se llama “Entalpía específica de evaporación “y se designa con el símbolo “hf g “.

La entalpía total de cada Kg de vapor es la suma de las dos anteriores. Se llama “Entalpía específica del vapor “y se designa con el símbolo “hg “. Está claro que: Hf + hfg = hg Cuando al kg. De agua de nuestro cilindro que estaba a la temperatura de 100ºC, se le ha añadido toda la Entalpía específica de evaporación, el agua se habrá convertido totalmente en vapor a la presión atmosférica. Su volumen será mucho mayor que el del agua líquida. El facto de multiplicación es 1.673. Claramente las moléculas de agua líquida se mantienen mucho más próximas que las moléculas de vapor. Se puede pensar en que el proceso de evaporación consiste en añadir suficiente energía para cada molécula puede vencer la fuerza de cohesión que la mantiene próxima a sus vecinas con lo que abandonará el líquido del cilindro y se moverá libremente en fase gas.

Se puede esperar que, si la presión en la parte superior del líquido aumente, las moléculas encontrarán mayor dificultad en abandonar el líquido. Les deberemos comunicar más energía para que puedan romper los enlaces y moverse en fase gas. Esto quiere decir que la temperatura del agua deberá ser mayor de 100º C para que la evaporación se inicie. Esto es, realmente lo que sucede en al práctica.

Si nuestro cilindro imaginario es provisto de un pistón, libre de razonamiento y se coloca un peso en la parte superior del mismo para aumentar la presión del agua, la temperatura de la misma estará encima de los 100º C cuando empiece la evaporación. A cualquier presión dada le corresponde una

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temperatura única por encima de la cual el agua no puede subsistir como líquido y cualquier entalpía cuyo valor este por encima de la “Entalpía específica del agua saturada “evaporará parte del líquido. Igualmente, si la presión del agua desciende por debajo de la atmosférica, les resulta más fácil a alas moléculas romper sus enlaces.

Requieren un menor nivel de energía, es decir, se reduce la temperatura a la que se inicia la ebullición y la correspondiente “Entalpía específica del agua saturada”. En las “tablas de vapor “se recogen temperaturas y presiones de ebullición junto con las Entalpías de agua y vapor.

CALIDAD DEL VAPOR. 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 al práctica, el vapora menudo arranca pequeñas gotas de agua, con lo que ya puede ser descrito como vapor saturado seco. Sin embargo, es importante que el vapor utilizado para procesos o calefacción se alo más seco posible. Veremos mas adelante como se consigue, utilizando “separadores “y “trampas para vapor “. La calidad del vapor se describe mediante su “fracción seca”, que es la proporción de vapor completamente seco presente en el vapor considerado. El vapor considerado. El vapor se llama “húmedo “si contiene gotas de agua de suspensión que no transportan entalpía específica de evaporación. Por ejemplo la entalpía específica de vapor a 7 bar con una fracción seca de 0.95 se puede calcular del modo siguiente: Cada kg. de vapor húmedo contendrá la totalidad de la entalpía de agua saturada, pero como solo hay 0,95 kg. de vapor seco, con 0,05 kg, de agua, de vapor seco, con 0,05 kg, de agua, soslo estará presente el 0,95 de la entalpía de evaporación. Por tanto la entalpía específica será de: hg = ht + (0,95 x hfg) = 721,4 + (0,95 x 2, 047,7) = 2:666,7 kj / kg Es te vapor representa una reducción de 102,4 kj / kg relación con una entalpía específica del vapor a 7 bar relativos encontrada en las Tablas de Vapor. Las pequeñas gotas de agua en el vapor húmedo pesan pero ocupan un volumen despreciable. El volumen del vapor húmedo es, por tanto, menor que el vapor saturado seco. Volumen del vapor húmedo = volumen del vapor saturado saco x fracción seca.

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

Vapor Sobrecalentado.

Mientras haya agua presente, la temperatura del vapor saturado se corresponderá con la que se encuentra en las Tablas de Vapor. Sin embargo si la transferencia de calor continúa después que se ha evaporado toda el agua de la temperatura del vapor seguirá aumentado.

En estos casos el vapor se llama “sobrecalentado “entendiendo como tal al vapor que se encuentra a cualquier temperatura por encima de la del vapor saturado a la presión correspondiente. El vapor saturado condesa rápidamente sobre cualquier superficie que éste a menor temperatura, puesto que le comunica entalpía de evaporación que es la energía que transporta en mayor proporción.

Contrariamente, cuando el vapor sobrecalentado cede una parte de su entalpía, lo hace mediante una disminución de temperatura. Por tanto no habrá condensación hasta que se alcance la temperatura de saturación y, por tanto, el flujo de energía desde el vapor sobrecalentado es menor, en general, que el que se puede alcanzar con vapor saturado auque el vapor sobrecalentado está a mayor temperatura.

Debido a otras propiedades, el vapor sobrecalentado es el que se utiliza habitualmente para potencia, mientras que el vapor saturado es ideal para aplicaciones de proceso y calefacción.

Generación del Vapor.

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Antes de pasar a considerar el uso práctico conviene verificar que los aspectos teóricos han quedado suficiente claros. La energía química contenida en el carbón, gas u oto combustible de caldera se convierte en energía calorífica al quemarse éstos.

Esta energía calorífica se trasmite a través de las paredes del hogar de la cadera 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 al aumento de la temperatura del agua, se llama Entalpía del agua saturada (símbolo hf).

El agua a una temperatura igual a al de su punto de ebullición se llama agua saturada. La entalpía específica del agua 0ºC se toma habitualmente como cero. La capacidad calorífica del agua es de 4,186 kj / kg. 0ªC. Por tanto, aumentar la temperatura de 1 kg. de agua de 0ºC a 100ºC ( punto de ebullición a la presión atmosférica ) requerida una entalpía específica de agua saturadote 4,186 x 100 = 418,6 kj.

Si la caldera se alimenta con 1.000 kg másicos de agua (1.000 lts) la entalpía del agua saturado es de 1.000 x 4,186 x 100 = 418.600 kj. Si el agua de nuestra caldera está ya a 10ºC el aumento de entalpía necesaria para llevar al punto de saturación es de: 1000 x 4,186 = 376.740 kj Hay que recordar que este valor no es la entalpía total del agua saturada sino el aumento de entalpía necesaria para llevar al agua de 10ºC a 100ºC. El agua a 10 ºC ya tiene entalpía (llamada algunas veces entalpía del agua fría). La entalpía total es siempre de 418,600 kj para el agua saturado a 100ªC en uan caldera de 1.000kg. El ejemplo proporcional una primera lección práctica de economía de combustible. Cuando mayor sea ala temperatura inicial del agua en la caldera menor entalpía será necesaria para llevar al punto de saturación y, por consiguiente, será necesario quemar menos cantidad del combustible. Ya tenemos el agua a 100ºC. Si en nuestra caldera continuamos trasfiriendo calor al agua, la entalpía adicional producida por esta transferencia no provoca un aumento de la temperatura del agua sino que la evapora, convirtiéndola en vapor.

La entalpía que produce este cambio de estado de temperatura se conoce como entalpía de evaporación (símbolo hf ). A´si pues, el vapor generado en la caldera tiene 2 tipo de entalpía, la del agua saturada y la de evaporación. La suma de las dos entalpía del vapor saturado (símbolo hg). hf + hfg = hg Los ejemplos citados para ilustrar los puntos básicos suponen presión atmosférica. Consideramos ahora la caldera como un recipiente cerrado. Al generarse vapor queda comprimido y ejerce una presión en todo lo que le rodea, incluida la superficie del agua. Al aumentar la presión de esta superficie del agua, aumenta la temperatura del agua saturado puesto que las moléculas necesitan más mas energía para abandonar la superficie. Mientras que a la presión atmosférica la temperatura del agu8a saturada es de 100ºC, a la presión de 10 bar abs, la temperatura del agua saturada sube a 180 C. La figura 3 muestra la entalpía del agua saturada a presión atmosférica. Comparémosla con la figura 4 que muestra la entalpía corresponde a 10 bar abs. La entalpía de cada kg. De vapor saturada en la figura 4 ha crecido, pero sólo ligeramente (en 102,1 kj). La entalpía de agua saturada, en cambio ha crecido mucho (en 343,8 kJ) mientras que la de evaporación a disminuido (en 241,7 kJ).

Las reglas prácticas que se deducen. i) Cuando la presión del vapor aumenta: La entalpía del vapor saturado aumenta Ligeramente.

La entalpía del agua saturada aumenta La entalpía de evaporación ii) Cuando la presión del vapor disminuye:

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La entalpía del vapor saturado disminuye ligeramente.

La entalpía de evaporación aumentada.

Por tanto, cuanto menor es la presión del vapor mayor es la entalpía de evaporación.

El significado de esta afirmación se verá con mayor claridad cuando consideramos la condensación del vapor. El gráfico de la fig. 5 muestra el cambio de estado del agua a vapor y el efecto de añadir a una u otra fase. El eje vertical es la temperatura y el horizontal es la entalpía dividida por la temperatura a la cual está entalpía se está añadiendo. El uso de este factor artificial significa que el área situada entre las líneas del gráfico y el eje horizontal presentan la entalpía. Ello facilita la lectura en el diagrama de la información que por otra parte se encuentran en las tablas de vapor.

En el punto A del gráfico, el agua a 0ºC tiene un contenido de entalpía igual a 0. Al añadir entalpía la temperatura aumenta a lo largo de la línea AB. El punto B es el de saturación (ebullición) T1, correspondiente a la presión del sistema. Desde el punto B al punto C, la entalpía de evaporación se añade a temperatura constante T1. Cualquier adición de entalpía más allá de este punto C hará aumentar la temperatura del vapor, por ejemplo hasta T2, correspondiente al punto D. La parte del gráfico derecha de líneas que une C y D representa vapor sobrecalentado. El mismo ejemplo a una presión superior vendrá representado por una curva tal como la AEFG. Condensación del Vapor.

Tan pronto como el vapor deja la caldera, empieza a ceder parte de su entalpía a cualquier superficie con menor temperatura. Al hacer esto, parte del vapor condensa, convirtiéndose en agua a la misma temperatura. El proceso es exactamente el inverso del que tiene lugar la caldera cuando el agua se convierte en vapor al añadirse calor. Cuando el vapor condensa, cede la entalpía de evaporación.

Veamos lo que pasa cuando utiliza el vapor para trabajar en proceso o en calefacción. La fig. 6 muestra un recipiente calentado por un serpentín del tipo de los que se encuentran equipo que utiliza vapor. El recipiente está lleno del producto que se debe calentar y el vapor pasa por serpentín. Este vapor cede su entalpía de evaporación a la pared metálica del serpentín, el cual se transfiere al producto.

A medida que el vapor condensa se va formando agua caliente que cae a la parte baja del serpentín.

Esta agua llamada “condensado “debe ser drenada. Si el vapor condensa a una velocidad superior a la de drenaje, la parte baja del serpentín se empezará a llenar de agua como muestra la fig 7. Este efecto se llama “anegado “. Inicialmente, la temperatura del condensado será la misma que la del vapor. Esto podrá llevarnos a pensar que este anegado no es pernicioso, pero vamos a ver que su formación reduce sensiblemente a la efectividad del serpentín. Si bien la temperatura del vapor y al del condensado recién formado es la misma, la del condensado disminuye si sigue transfiriendo entalpía al serpentín y por tanto al producto. Este hecho reducirá la diferencia de temperatura entre el agua condensada y la pared del serpentín y, por lo tanto, disminuirá el flujo del calor.

Más adelante se verá también que el coeficiente de transferencia del calor entre el agua y el serpentín es menor de entre el vapor y el serpentín. La combinación de estos dos efectos hace que el flujo del calor en la parte del serpentín que contiene el condensado sea mucho menor que en la parte llena de vapor. Aunque la entalpía del agua saturado se pueda utilizar, la máxima transferencia se obtiene si el agua se elimina del serpentín lo más rápidamente posible, dejando lugar para el vapor.

La manera de utilizar la energía residual del condensado se comentará más adelante.

Superficie de Calefacción.

La superficie calefactora del serpentín se conoce como “superficie de calefacción“. Con el fin de alcanzar la máxima transferencia calorífica del vapor al producto, hay que usar toda la superficie de calefacción. Esta claro que si una parte de esta superficie esta, cubierta el área a través de la cual se pueda efectuar transferencia de calor desde el vapor al producto que reducirá en la misma proporción. Esto es exactamente lo que sucede si el condensado queda retenido en la parte baja del espacio dedicado al vapor. Parte de la superficie de calefacción estará cubierta por agua y no será

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posible obtener la misma transferencia del calor del vapor al producto que si utilizamos la totalidad de la superficie de calefacción.

El área utilizable para transferir calor es uno de los tres factores principales que controlan la cantidad de entalpía transferida del vapor al producto. La diferencia de temperatura entre el vapor y el producto es otro factor y el flujo total del calor se estima directamente proporcional a esta diferencia de temperatura. El tercer factor que controla el flujo de total entalpía es el “coeficiente de calor “Depende de la resistencia que opone al paso de energía lasa diferentes películas que se encuentran entre el vapor y el producto. Vamos a examinar este caso con mas detalle.

Barreras para la transferencia de calor.

La figuras 6 y 7 muestran el vapor y el condensado en contacto con la superficie de calefacción del serpentín. Podrá parecer que la pared metálica es el único obstáculo que impide la transferencia directa de calor desde el vapor al producto. Sin embargo, en la práctica no es así y la fig. 8 es una presentación más realista de lo que sucede. Películas de aíre, agua y óxido están próximas a la pared metálica y actúan como barreras para la transferencia eficiente del calor. En la parte de pared en contacto con el producto, permanece estática una película del mismo y posiblemente restos degradados del producto y óxidos del tubo. El flujo del calor se reduce sensiblemente debido a la resistencia de estas películas. La limpieza regular es la solución óptima para eliminar los óxidos o la sociedad, mientras que la agitación del producto puede reducir de alguna manera el espesor del líquido estático.

En la parte de la pared en contacto con el vapor también se puede mejorar transmisión limpiando la tubería de los óxidos o impurezas arrastradas por el vapor también puede ayudar aun correcto funcionamiento de la caldera que impide el arrastre de gotas con productos contaminantes. Sin embargo, las películas de aire y condensando requieren mayor atención.

Sabemos que cuando el vapor entra en contacto con la superficie fría de transferencia de calor, cede su entalpía de evaporación puede producir gotas de agua o pueden tomar inmediatamente una película completa. Incluso en el caso de formación de gotas, estos se juntan y forman una película y cuando está aumentada de espesor el agua empieza a resbalar por la pared.

El agua tiene, sorprendentemente, una elevada resistencia a la transferencia de calor, incluso una película muy fina de agua representa una obstrucción significativa. Una película de agua de sólo 0,25mm. De espesor ofrece la misma resistencia a la transferencia de calor que una pared de hierro de 17mm. O una de cobre de 120mm. Estos valores dan idea a la importancia que se debe prestar al suministro de vapor tan seco como sea posible y a garantizar la rápida eliminación del condensado tan pronto como se forma.

La película de aire tiene todavía un efecto más drástico en contra de la transmisión de calor es por esta razón que los materiales aislantes más efectivos están constituidos por una masa de células de aire diminutas reunidas mediante fibras no conductoras. En general se acepta que una película de aire de sólo 1mm. de espesor puede ofrecer la misma resistencia al flujo de calor de una película de agua de 25mm. una de hierro de 1,7m o una de cobre de 12,0m de espesor. Mientras dedicaremos toda nuestra atención a la eliminación de aire de los sistemas de vapor.

El Circuito de Vapor.

El vapor que se genera en la caldera se debe transportar mediante tuberías a los lugares donde se requiere energía calorífica. En primer lugar, habrá una o más tuberías principales o tuberías de distribución, desde la caldera hasta la zona consumidora de vapor. A partir de estas tuberías, otras de menos diámetro transportan el vapor hasta los equipos individuales. Cunado la válvula de salida de la caldera se abre ( por su puesto, lentamente ) el vapor sale inmediatamente hacia la tubería de distribución, desde la caldera hasta ala zona consumidora de vapor. A partir de estas tuberías, otras de diámetro transportan el vapor hasta los equipos individuales. Cuando la válvula de salida de la caldera se abre (por supuesto, lentamente) el vapor sale inmediatamente hacía la tubería de distribución. Puesto que ésta, inicialmente, esta fría, el vapor le transmitirá calor. El aire que rodea las tuberías también es más frío que el vapor, con lo cual el sistema a mediada que se calienta empieza

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irradiar calor al aire. Esta pérdida de calor a la atmósfera provoca que una parte del vapor condense. El agua formada por condensación cae a la parte baja de la tubería y circula empujada por el flujo de vapor hasta los puntos bajos de la tubería de la distribución.

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Introducción Debido a los incrementos del costo de la energía, es necesario que los sistemas de vapor y condensado estén diseñados correctamente y se realice en ellos el mantenimiento preciso para garantizar la máxima eficiencia. Por esta razón dedicamos la última parte de este curso a aspectos prácticos del ahorro de energía en sistema de vapor.

Eficiencia de la Caldera Las calderas y los equipos asociados deben ser diseñados para su operación sea eficaz por lo que su dimensionamiento debe ser correcto. Una caldera que tenga que atender picos de demando por encima del valor máximo en marcha continua forzosamente lo hará con menor eficiencia. La presión tendrá tendencia a bajar y se producirá arrastres. En resumen, la caldera no podrá suministrar vapor de calidad a la presión adecuada y en el momento preciso.

Si una caldera que debe trabajar a un porcentaje pequeño de su carga nominal, las pérdidas por radiación se convierten en significativas y por tanto, también se produce una disminución de la eficiencia. Por supuesto, no es fácil hallar la situación óptima en un equipo que normalmente se produce variaciones en la demanda de vapor. Dos calderas o más dan mayor flexibilidad. Pero solamente una parte de la instalación. Es tanto o más importante disponer en unos quemadores y equipo asociado que responda al consumo de vapor manteniendo la relación correcta combustible/aire. Es un tema muy amplio en el que se debe consultar a los proveedores de calderas, quemadores y equipo asociado siempre que sea necesario. Las pérdidas mayores en cualquier caldera vienen provocado por los gases calientes que se descargan a la chimenea. Si la combustión ese buena, el exceso de aire será pequeño y los gases de escapen contendrán u porcentaje CO2 elevado mientras que el de O2 será bajo. Al mismo tiempo, si la está trabajando en su nivel de carga eficaz y las superficies de calefacción están limpias, se transmitirá un alto porcentaje de calor y la temperatura de los gases de escape será baja. Si la combustión es pobre, con mucho exceso de aire, mayor cantidad de gases de escape se llevará una cantidad importante de calor a chimenea. Estos gases contendrán un porcentaje de CO2 más bajo mientras el de O2 será mayor. Por otra parte, si se está produciendo por encima de los valores nominales o las superficies de calefacción están sucias, no se podrá transmitir todo el calor necesario y la temperatura de los gases de escape aumentará.

La manera habitual de medir la eficiencia de una caldera consiste en medir los porcentajes de de CO2 y O2 en los gases de escape junto con su temperatura recurrir a tablas adecuadas. Las mediciones deben efectuarse correcta y frecuentemente a distintas cargas de la caldera. Cuando se trata de unidades grandes se justifica la medida continúa de los parámetros indicados. La finalidad de la caldera es suministrar vapor de buena calidad a la presión correcta. De poco servirá obtener una combustión eficiente si el vapor suministrado contuviese cantidades sensibles de agua o aditivos.

Las calderas habitualmente rediseñan apara trabajar habitualmente se diseñan para trabajar a presiones relativamente elevadas. Esto significa que las burbujas de vapor que abandonan la superficie libre del agua son pequeñas con lo que los arrastres son difíciles. Si la presión descienden por cualquier causa, el tamaño de las burbujas aumentan creando turbulencia suficiente para producir arrastres. Esta es la principal razón trabajar con la caldera a la presión nominal. El corazón de cualquier sistema de vapor es el tanque de alimentación de caldera. Proporciona la reserva de condensado y agua nueva de la que aspira las bombas de alimentación. Este tanque de alimentación debe ser dimensionado correctamente para permitir fluctuaciones y posibles paradas del suministro; es normal disponer de agua suficiente para suministrar vapor durante una hora a plena carga.

Se debe tener también en cuenta que se pueda almacenar el condensado que llega masivamente en los procesos de arranque. Algunas veces la temperatura del agua contenida en el tanque está limitada por la capacidad de bombas para impulsarla. A temperaturas elevadas puede producirse cavitación, que se evita aumentado la altura de la columna de aspiración de la bomba.

Cuando no se pueda elevar el tanque de alimentación cabe pensar en la instalación de un tanque de servicio en un punto alto al que se comunica el calor necesario para aumentar la temperatura del agua. Un tanque con agua a temperatura elevada representa más pérdidas que hay que tratar de evitar. Un sistema sencillo para evitar fugas por la superficie libre del líquido consiste en utilizar bolas

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de plástico que flotan en toda esta superficie. Estas bolas tienen un efecto beneficioso complementario al reducir la absorción de oxígeno y dióxido de carbono por el agua. Un correcto aislamiento del tanque añade un ahorro adicional importante y además logra que la temperatura de la sala de calderas permanezca en niveles aceptables. Más adelante se comenzará la mejor manera de recuperar el condensado para devolverlo al tanque de alimentación de caldera.

Medición del Vapor Caudal de Vapor.

Uno de los mayores problemas que surgen cunado se intentan controlar los consumos energéticos es que no se dispone de mediciones adecuadas. Si se requiere ahorros, hay que empezar por medir. Si bien el consumo de combustible es fácil de controlar no se puede decir lo mismo en relación con el vapor, si se usan métodos clásicos. Aún con métodos adecuados, puesto que el volumen depende de la presión, las mediciones se deben efectuar a una presión adecuada y constante. Por esta razón es conveniente colocar el medidor después de una válvula reductora de presión de calidad que mantenga esta constante. Las mediciones tomadas deben corregirse en función de la presión. Esta corrección se puede realizar automáticamente utilizando los medios idóneos. La medición es muy útil, no solo en la sala de calderas sino en otros puntos de la instalación, puesto que puede informar donde se consumen realmente. Los medidores convencionales del tipo placa orificio deben ser verificados de vez en cuando para corregir los errores provocados por posibles erosiones el orifico de medida. La medición del caudal del vapor es la única manera de verificar la idoneidad de las decisiones de ahorro de energía que se tomen y se puedan dar; además información válida y útil del rendimiento de la planta transferencias de calor correctas y funcionamiento de trampas.

Reducción de las Pérdidas de calor.

Aislamiento.

Todas las fuentes potenciales de perdida de calor en un sistema de vapor deberían ser aisladas.

Como ejemplo téngase en cuenta que 100 m de tubería de 50mm de diámetro sin aislar, que transporten vapor de 10 bar. Relativos introducen un consumo adicional de unos 180kg/h de vapor de temperatura ambiente de 15a.C. También las válvulas y las bridas deben ser objeto de atención puesto que, por ejemplo las pérdidas producidas por un par de bridas equivalen a las 0.3 m de tubería. A los precios actuales del combustible debe aislarse con una eficiencia no menor del 80%. El aislamiento no debe ser contemplado como un medio de ahorrar combustible puesto que elevadas perdidas por radiación causada como consecuencia de un aislamiento insuficiente o eficaz provoca condensaciones excesivas en la línea facilitando los arrastres del agua por el vapor, que se convierten, por este motivo el vapor de mala calidad. Un buen aislamiento necesita también una buena conservación para garantizar que el coeficiente de transferencia no aumenta con el tiempo. Este coeficiente es muy bajo en los materiales que se usan compuestos por millones de celdas microscópicas que forman la barrera de transmisión del calor. Sin embargo de estas celdas llenas de aire se rompen o se llenan de agua la capacidad de oponerse al paso de calor de pierde. Por esta razón es tan importante la protección, e incluso la impermeabilización, cuando haga falta, del aislamiento.

Cabe recordar las pérdidas de calor que se produce innecesariamente por la existencia de tuberías que permanecen fuera de servicio. Muchas veces, cuando se elimina un equipo de un proceso se pone una brida ciega de tubería de alimentación junto al equipo del lugar de hacerlo en el punto que toma la tubería general. El ramal queda lleno de agua y vapor y las pérdidas por radiación, cuando no directas por personación del tubo, son tan constantes como necesarias.

Operación Intermitente.

Con el finí de reducir al mínimo las pérdidas por radiación durante la distribución del vapor, es conveniente dividir los diferentes procesos que pueden aislarse cuando no estén en servicio.

Lógicamente de agrupan en una sección aquellos equipos que trabajan la mismo tiempo. Losa ahorros que puedan corregir dependen, lógicamente del proceso, pero en general son muy importante. Si bien el aislamiento no puede efectuar con válvulas manuales es preferible usar válvulas reductoras de presión y reguladoras de temperatura equipada y a su vez con una válvula solenoide que cierre según órdenes suministradas por un temporizador.

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En algunos casos es posible realizar paros intermitentes en la propia caldera, principalmente si en combustible es fuel o gas en que tal operación se efectúes automáticamente. En este caso hay que tomar en cuenta que en los arranques que pueda tener problemas debido a las dilataciones esfuerzos en la caldera, arrastre de agua o de presiones bajas del sistema. Las velocidades de condensación serán elevadas y si las tuberías no se han vaciado completamente por gravedad hay riesgos importantes de golpes de ariete. Debido a estos posibles problemas, siempre que se produzcan paros intermitentes o aislamientos por zona que hay que asegurarse de que se eliminen correctamente el condensado por puntos bajos del sistema. Para estos casos puede ayudar mucho el uso de trampas de expansión líquida instaladas en by-pass con las trampas que se utilizan en régimen normal.

Reducción de Presión.

Todos los equipos que trabajan con vapor tienen una presión de funcionamiento máximo por razones de seguridad. Si esta presión es inferior a la producción del sistema, hay que instalar una válvula reductora además de la seguridad necesaria. Sin embargo este no es el mismo caso en que se debe utilizar una válvula reductora de presión. La mayor parte de las calderas está diseñada para producir vapor a presión alta y no es conveniente trabajar a presiones menores por disminución de eficiencia y por arrastres de agua que pueden producirse. Por esta razón es preferible generar a presión elevada e instalar válvulas reductoras de presión antes de los equipos que requieren presiones más bajas. Estas disposiciones tiene la ventaja de que se pueda utilizar tuberías de menor diámetro para el transporte puesto que el volumen específico del vapor disminuye cuando la presión aumente. Puesto que la temperatura del vapor saturado depende de su presión, el control de esta última magnitud es un método sencillo y eficaz de controlar aquélla. El uso de presiones bajas en los equipos es conveniente porque el calor latente, que es el que aprovecha generalmente, es mayor cuanto menor es la presión y también porque se produce menor cantidad de revaporizado, al ser menor la temperatura del condensado, que muchas veces se pierde.

Se puede dividir las válvulas reductoras que se encuentran habitualmente en el mercadeen dos grandes grupos:

Válvulas de Acción Directa.

En la figura de se puede ver una de estas válvulas. Se trata de la diseño más simple. La presión reducida a la salida de la válvula actúa en la parte inferior del diagrama “A” oponiéndose a la presión aplicada por el resorte de control “B” esta diferencia de presión determina la mayor o menor

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apertura de la válvula principal “C” y, por tanto el flujo a través de la válvula reductora. Para que la válvula pase de la posición abierta a la cerrada, debe haber un aumento de presión en la parte inferior del diagrama. Esto produce una variación inevitable en la presión de la salida. Esta variación será mayor cuando la válvula éste carrada, o casi cerrada y disminuirá a medida que aumente el caudal. La presión de salida actuando en la cara inferior del diagrama tiene a cerrar la válvula; este mismo efecto se produce por la acción de la presión de entrada en la parte inferior del obturador.

Cundo se calibra la válvula a la presión deseada el resorte de control debe ser capaz de equilibrar tanto el efecto de la presión de entrada como el de la salida. Cualquier variación de la presión de entrada altera la fuerza que produce en el obturador y esto provocará una variación en la presión de salida.

Este tipo de válvula tiene dos inconvenientes: permite pequeñas fluctuaciones de la presión de salida y tiene una capacidad pequeña en relación con su tamaño. Sin embargo es perfectamente adecuada para un conjunto de aplicaciones sencillas donde la presión no es esencial y en las que el flujo de vapor es pequeño y suficientemente constante.

Válvula con Piloto.

Cuando se requiere un control de presión preciso o mayor capacidad se debe usar una válvula reductora con piloto. Una válvula de este tipo se muestra en el esquema. La presión reducida actúa en la parte inferior del diagrama piloto “C” bien a través del tubo de control “F”, cuando se instala, bien directamente a través de “I” condensado la presión que ejerce el muelle que ajuste a “B” por parte superior. Cuando la presión reducida disminuye actúa la presión del muelle, abriendo la válvula piloto “E” y admitiendo vapor a través de “D” hasta la parte inferior del diagrama “K”. La presión de este vapor tiende a abrir la válvula “H” contra la acción del muelle antagonista “G” permitiendo que pase mayor cantidad de vapor vivo y se vuelve a alcanzar la presión adecuada a la salida. Si la presión de salida aumenta, excesivamente actuará en el sentido de cerrar la válvula piloto. El fluido retenido en la parte inferior del diagrama principal “K” irá hacia la salida de la válvula a través de la tubería “L” y el orificio “J” con lo que la válvula principal, empujada por el muelle “G”, tenderá a cerrar.

La válvula piloto quedará en una posición que permita compensar el flujo a través de “J” y mantener la presión necesaria bajo el diafragma para que válvula principal permanezca en la posición requerida en función de la presión de que se dispone a la entrada y a la que desea la salida.

Cualquier variación de presión o de carga será detectada inmediatamente por el diafragma piloto que actuará ajustar la posición de la válvula principal. La presión reducida se fija mediante el volante “A” que varía la comprensión del muelle “B”. Las válvulas de este tipo ofrecen muchas ventajas en

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relación de acción directa. Solo es necesario que fluya una cantidad pequeña de vapor a través de la válvula piloto para presurizar la cámara inferior del diafragma principal y abrir totalmente la válvula principal. Por tanto solo son necesarios pequeños cambios de la presión de salida para provocar cambios importantes de caudal. Además, la pérdida de carga que provocan estas válvulas no s importante. Un aumento de presión a la entrada se traduce en mayor fuerza de cierre sobre la válvula principal, aunque esta se compensa con la acción de la presión de entrada en la cámara del diafragma.

Lo contrario sucede en el supuesto de un descenso de presión. Se trata, por tanto, de una válvula que controla perfectamente la presión de salida aunque se produzca variaciones en la entrada.

En algunas válvulas se sustituye el diafragma principal por un pistón. Puede representar una ventaja en válvulas muy grandes que requieren diafragmas de gran diámetro. En las pequeñas por el contrario se presentan problemas de atascamiento del pistón en su camisa.

Selección e Instalación.

Lo primero y esencial es seleccionar el mejor tipo de válvula para cada aplicación. Cuando se trate de cargas pequeñas en las que no sea vital un control fino, pueden ser suficientes las válvulas reductoras de acción directa. En otros casos es mejor seleccionar unas válvulas con piloto, particularmente si se produce períodos sin demanda durante los cuales no deba aumentar la presión a la salida. Igual que suceda con todas las válvulas de control que se debe evitar el sobredimensionamiento de las válvulas reductoras. Una válvula que trabaje habitualmente demasiado cerca de su asiento, para sufrir erosiones por el paso constante del vapor a lata velocidad. Además, en esta posición, cualquier pequeño movimiento de esta válvula producirá un cambio de caudal relativamente importante. Con un modelo más pequeño, correctamente dimensionad, se obtendrá un mejor ajuste y el riesgo a de avería sería menor. Cuando es necesario provocar el descenso de presión muy importantes es preferible trabajar con dos o más válvulas en serie.

Cuando las variaciones de carga son muy importantes es preferible trabajar con válvulas en paralelo. Si bien el dimensionamiento es importante para el buen funcionamiento de una válvula reductora, también lo es su instalación correcta. La figura muestra una disposición ideal para la válvula reductora con piloto. Puesto que la mayor parte de los problemas de una válvula reductora son causados por la presencia de humedad o suciedad, se han instalar antes de la válvula un separador de filtro de malla fina. El filtro debe ser colocado lateralmente para evitar que el cuerpo llene de agua y garantizar que toda la superficie de filtración sea efectiva. Las tuberías antes y después de la válvula serán del diámetro adecuado para evitar pérdidas de cargas complementarías y excesivas.

Las válvulas de cierre deben ser apertura total o bien del mismo diámetro de las tunerías y no del de la válvula reductora. Si la tubería o la instalación de salida no puede resistir la presión de entrad, se debe instalar una válvula de seguridad a la salida de válvula reductora, regulada ala máxima presión que pueda soportar esta parte de la instalación y además de una capacidad de descarga de vapor igual ala que pueda pensar a través de la válvula, totalmente abierta, a esta presión máxima.

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Uso del Revaporizado.

Cuando un condensado caliente y a presión es descargado a una presión más baja, una temperatura alcanza muy rápidamente la del punto de ebullición. El excede de calor se utiliza como entalpía de evaporización de parte del condensado. La cantidad revaporizado que forma por cada kilogramo de condensado se puede calcular como se ha hecho en un ejemplo anterior o se puede leer directamente en una tabla como la de la figura 73. Por ejemplo, si un kilogramo de condensado a 14 bar relativos se descarga a la atmósfera ( 0 bar relativos ) se forman 0.19 kg. de revaporizado. Si el condensado hubiese estado en 7 bar relativos, solo se producirían 0,13 kg. que quedarían reducidos a 0,05 kg, si en lugar de descargar a la atmósfera se hiciese a un recipiente a 3 bar relativos. Estos ejemplos muestran claramente que la cantidad de revaporizado que se forma depende de la diferencia entre las presiones a la entrada a ala salida de la trampa. Cuanto la mayor primera y menor la segunda, más cantidad de revaporizado se forma. Nótese que la figura 73 se basa en la suposición de que la trampa descarga en el condensado se forma. La cantidad de revaporización será mucho menor cuando la trampa sea de un tipo de las que retienen el condensado hasta que se ha enfriado por debajo de la temperatura de saturación.

Antes de entrar en el cómo recuperar el revaporizado hay dos puntos prácticos que deben ser tenidos en cuenta:

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Primeramente que un kilogramo de vapor tiene un volumen de 1,673 m3 a la presión atmosférica. Esto significa que si una trampa descarga 100 kg/h de condensado de 7 bar relativos a la presión atmosférica la cantidad de revaporizado que se producirá será de 13,5 kg/h con un volumen de 22,6 m3. Esto representa una cantidad de vapor importante y puede conducir a suponer que pasa vapor vivo a través de la trampa.

Sistema de Recuperación de Vapor Flash

En segundo lugar, si aumenta a presión del revaporizado, aumenta la presión a la descarga de la trampa. Este aumento nunca debe ser tal que pueda comprometer la descarga correcta de condensado. El revaporizado de forma en el orificio de descarga de la trampa y en el espacio inmediatamente posterior que es donde se produce el descenso de presión. A partir de este punto , el sistema de retorno de condensado debe ser capaz de admitir tanto el condensado con el revaporizado. En muchas ocasiones se presentan problemas de prezurizaciones de las tuberías de retorno porque al dimensionarlas no se ha tenido en cuenta la presencia del revaporizado. Si desesa recuperar y aprovechar el revaporizado, lo primero que se debe hacer es separarlo del condensado.

Esto se consigue en el tanque de revaporizado. La figura muestra una disposición adecuada.

El diámetro del tanque debe provocar un descenso importante de la velocidad que permita el condensado caer a la parte baja para ser drenado. La altura por encima del punto de entrada ha de ser suficiente para que el vapor que se extrae sea seco sin los arrastres que se producen en la zona de separación de los dos medios. Para que sea viable la recuperación del revaporizado, se debe cumplir una serie de requisitos: 1.- El condensado debe ser suministrado a una presión razonable. Las trampas que lo drenan deben admitir la contrapresión que se genera en el sistema.

2.- El proceso consumidor del revaporizado debe trabajar correctamente a esta baja presión. La demanda es conveniente que sea superior a la cantidad del revaporizado que se forma y ambas magnitudes deberían evolucionar más o menos paralelamente en todo momento. En efecto, si se desea utilizar el revaporizado para calefacción de locales, por ejemplo, el sistema no será eficaz en verano; en camino se reaprovecha para una calefacción del proceso de planta habrá un paralelismo entre los momentos que se forma el revaporizado y aquellos en los que se utiliza.

3.-El revaporizado se debe utilizar tan próximo a la fuente como sea posible. El transporte de vapor baja presión requiere tuberías de gran diámetro y representa pérdidas por radiación importantes que pueden desaconsejar la neutralización por razones económicas.

En la figura 75 se representa un sistema típico de recuperación de revaporizado. Este se utiliza en una sección de precalentamiento de una batería de calefacción. Puesto que el aire llega a esta sección está frío el revaporizado condensará rápidamente. Sin embargo se generará una presión en el tanque de revaporizado que nunca será la atmósfera a no ser que la batería haya sido

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dimensionada con mucha presión. El ejemplo de la figura cumple con los requisitos de paralelismo entre la producción y la demanda de revaporizado.

Este sólo se produce cuando pasa aire a través de la batería. Esta disposición garantizada que las trampas de lata no estén sujetas a ninguna contrapresión en el arranque. Sin embargo, la batería de precalentamiento no se utiliza completamente y se pueden producir problemas de drenaje en el tanque de revaporizado debido a un descenso de la presión diferencial en la trampa. Por esta razón es recomendable instalar una válvula reductora de presión la que se ha dibujado en la fig. 75. Esta válvula mantiene el suministro de vapor a la unidad de precalentamiento y controla la presión del tanque de revaporizado incluso cuando no se produce suficiente revaporizado con lo que la presión diferencial en la trampa se mantiene constante. El único problema que puede generar esta válvula se relaciona con las trampas de la zona de alta presión que es conveniente entren en servicio con una contrapresión muy baja. Se puede lograr cerrando esta línea auxiliar hasta las baterías principales haya alcanzado la presión de régimen. Se pueden hacer arreglos semejantes cuando se calientan áreas importantes con unidades de calefacción distintas.

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Es posible separar un 10% o un 15% de estas unidades y alimentarlas con revaporización generado por el condensado regido en otras unidades de calefacción. La producción y la demanda se producen en paralelo y los picos de demanda surgen al mismo tiempo en todas las unidades. Hay ocasiones en las que se puede utilizar el revalorizado sin necesidad de instalar ningún tanque, como sucede con la disposición de la fig. 76. En un tanque de agua caliente se ha instalado un segundo serpentín cerca del fondo, por donde entra el agua fría. El condensado procede del primer serpentín pasa inmediatamente por el segundo con lo que el revaporizado que se forma vuelve a condensar, cediendo su calor latente al agua. Se evita así perderlo por el tubo del venteo del tanque del receptor condensado. Una aplicación útil de esta idea es la unidad de calefacción de la fig. 77. El condensado y el revaporizado descargan por la trampa de la unidad superior que es un intercambiador convencional agua / vapor. Son separados en el condensador del revaporizado situado debajo donde ambos seden calor (sensible el condensado y latente el revaporizado ) agua del retorno de calefacción antes de que entre en el intercambiador. La unidad se completa con una bomba que devuelve el condensado al tanque de alimentación de la caldera.

La figura 78 muestra un sistema en el que condensado procedente de un proceso proporciona revaporizado para calefacción. Tiene el inconveniente de que el revaporizado se pierde cuando la calefacción no es necesaria. Sin embargo, puede representar un un carro justificable en muchos casos.

Es mejor estar un by-pass al tanque de revaporizado va a comunicarlo durante los periodos en que no es necesario enviando directamente el condensado al tanque de alimentación de caldera o a un tanque receptor de condensador a mantener constantemente en servicio de seguridad. La purga continúa de caldera es otra fuente de revaporizado, que no se debe despreciar. Muchas calderas modernas tienen gran capacidad de intercambio de calor y poco almacenamiento de agua y de vapor.

Es imperativo mantener muy bajo el contenido de sales y sólidos para operar satisfactoriamente. Por esta razón el sistema debe ser purgado continuamente en una proporción que pueda alcanzar 5% incluso el 10% de la capacidad total de vaporización. Puesto que esta purga contiene un alto porcentaje de sales y sólidos uno de los mejores usos que se puede hacer del calor que transporta es producir y recuperar revaporizado. En este caso, las dimensiones del tanque de revaporizado deben ser generosas para garantizar que no se produce arrastre de sólidos con el revaporizado. Una utilización común del revaporizado procedente de la pùrga del a caldera es el precalentamiento del agua del alimentación.

Retorno del Condensado Hasta ahora se ha hablado repentinamente de la importancia que tiene la eliminación correcta del condensado de los espacios destinados al vapor. Se ha visto como, si se desea máxima efectividad del equipo, se debe instalar la trampa más conveniente en cada caso. Se ha considerado también la posible utilización del revaporizado.

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