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Docente: José Luis Ferreira

Generadores 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. 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.


Docente: José Luis Ferreira 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

Circuito Típico de Vapor Vapor Sistema de Calefacción Cuba

Cuba Condensado

Vapor

Tanque de Proceso Batería

Vapor

Agua de Red Tanque de Alimentación

Caldera

Condensado

Bomba de Alimentación

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.


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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 temperaturas 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).


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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.


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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.

A

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


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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 1 BTU 1 Kcal

= = =

3,968 BTU 0,252 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°

Ejemplo ¿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.?


Docente: José Luis Ferreira 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.


Docente: José Luis Ferreira Tablas de Vapor Entalpía en kJ/kg Presión Manométrica

Temp.

Agua

Evaporación

Vapor

Volumen Seco Saturado

bar 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

ºC 100 120 134 144 152 159 165 170 175 180 184 188 192 195 198

hf 419 506 562 605 671 641 697 721 743 763 782 799 815 830 845

hfg 2257 2201 2163 2133 2108 2086 2066 2048 2031 2015 2000 1986 1973 1960 1947

hg 2676 2707 2725 2738 2749 2757 2763 2769 2774 2778 2782 2785 2788 2790 2792

m 3/kg 1,673 0,881 0,603 0,461 0,374 0,315 0,272 0,24 0,215 0,194 0,177 0,163 0,151 0,141 0,132

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.


Docente: José Luis Ferreira 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 la 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 % vapor Presión Total _ 10 bar (a) Presión de Vapor _ 10 bar (a) Temperatura del Vapor : 184 º C

Cámara de Vapor - 90 % vapor y 10 % aire Presión 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 grados centígrados o Celsius (°C) en el sistema métrico, y los grados Fahrenheit (° F) en el sistema inglés.


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 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:


Docente: José Luis Ferreira  Ejemplo: Un termómetro está marcando 68° F. Calcular a cuántos grados Celsius corresponde b) Conversión de grados Celsius a grados Fahrenheit. Fórmula: ºF= 9 X ºC 5

+ 32 = 1,8 X ºC + 32

 Ejemplo: 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 Atm

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

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


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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

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