Elección de suavizadores Agua de calidad para calderas de vapor

1. Producción de vapor
2. Agua de alimentación a la caldera
3. Presiones de la caldera
4. Capacidades de la caldera
5. Selección del suavizador para calderas
6. Determinando el volumen de reposición
7. Cálculos para seleccionar suavizador de calderas
8. Selección de suavizadores residenciales y comerciales
9. Metodología para selección de suavizadores aquapurificación
10. Detalles sobre capacidades de suavizadores aquapurificación
11. Útiles factores de conversión
12. Para seleccionar suavizadores es recomendable contar con la siguiente información

PRODUCCIÓN DE VAPOR

La mayoría de las calderas tienen varias cosas en común. Usualmente, en la parte inferior está un fogón o cámara de combustión (horno) a donde se alimenta el combustible más barato o más disponible a través de un quemador para formar una flama. El quemador está controlado automáticamente para pasar sólo el combustible suficiente para mantener una presión de vapor deseada. La flama o calor es dirigida y distribuída a las superficies de calentamiento, las cuales usualmente son tubos, tiros de chimenea o serpentines de diámetro bastante pequeño.

En algunos diseños el agua fluye a través de los tubos o serpentines y el calor es aplicado al exterior. A éstas se les denominan calderas acuotubulares. En otras calderas los tubos o tiros de chimenea están inmersos en el agua y el calor pasa a través del interior de los tubos. Estas son calderas humotubulares. Si el agua es sometida a los gases calentados más de una vez, la caldera es de "dos-pasos", de "tres-pasos", o de "pasos múltiples".

El agua calentada o vapor se eleva hasta la superficie del agua, vaporiza y es recolectada en una o más cámaras o "tambores". Mientras más grande la capacidad del tambor, mayor es la capacidad de la caldera para producir grandes y repentinas demandas de vapor. En la parte superior del tambor de vapor está una salida o "cabezal de vapor" desde la cual el vapor es entubado hasta los puntos de uso. En la parte superior del fogón está una chimenea de metal o de ladrillo o "inductor de tiro", el cual se lleva los subproductos de la combustión y las variables cantidades de combustible no utilizado. En la parte inferior de la caldera, y usualmente al lado opuesto del fogón, está una válvula de salida denominada como "purga". Es a través de esta válvula que la mayor parte del polvo, lodo, cieno y otros materiales indeseables son purgados de la caldera.

Adheridos a la caldera hay múltiples controles de seguridad para liberar la presión si ésta se eleva demasiado, para apagar el quemador si el agua baja demasiado o para controlar automáticamente el nivel del agua. Se incluye una columna de agua (vidrio de nivel) para que el nivel interior del agua quede visible para el operador.

AGUA DE ALIMENTACIÓN A LA CALDERA

El agua para la caldera se almacena usualmente en un tanque "de relleno o reposición" de manera que se tenga disponible un volumen de agua suficiente para demandas mayores a las acostumbradas. Se mantiene un nivel constante por medio de una válvula flotadora similar en principio al flotador en el tanque de un sanitario. Una bomba de alta presión saca el agua del tanque de relleno y la vacía en la caldera. Debido a que la mayoría de las calderas operan a presiones más altas que las del suministro de agua, la bomba debe elevar la presión del agua de alimentación un poco por encima de la presión de operación de la caldera.

El vapor limpio es agua pura en forma de gas. Cuando se enfría y se condensa es agua pura y se le denomina "condensado". A medida que se condensa en agua contiene considerable calor, el cual puede ser utilizado. Es un agua de relleno o de alimentación casi perfecta, ya que ha sido despojada de minerales disueltos y materia extraña en el proceso de evaporación.

Siempre que es posible, el condensado es regresado a la caldera y recolectado en un tanque denominado "receptor o tanque de condensado". Cuando se recupera el condensado, el receptor puede también desempeñar la función de tanque de relleno.

En algunas instalaciones, el retorno del condensado puede suministrar tanto como el 99% del agua de alimentación y mientras más alto sea el porcentaje de condensado, se requiere menos tratamiento de agua. Otras instalaciones pueden

requerir del 100% de reposición si por alguna razón el condensado no puede ser recuperado o si está muy contaminado.

PRESIONES DE LA CALDERA

La temperatura y la presión a las cuales opera una caldera tienen una relación definida, según se muestra en la siguiente tabla:

PUNTO DE EBULLICIÓN DEL AGUA A DIFERENTES PRESIONES

TEMPERATURA PRESIÓN

A presión atmosférica normal, el agua hierve a 100 oC (212 oF); a presiones más altas se incrementa el punto de ebullición, alcanzando un máximo de 374 oC (705 oF) a una presión de 225 kg/cm2 (3200 psi). Arriba de esta temperatura el agua no puede existir como un líquido.

CAPACIDADES DE LA CALDERA

Las calderas son clasificadas por la cantidad de vapor que pueden producir en un cierto período de tiempo a una cierta temperatura. Las unidades más grandes producen 454,545 kg (1,000,000 lb) de vapor por hora. Las calderas se clasifican a 1 HP (0.745 kilowatts) de fuerza por cada 15.7 kg (34.5 lb) de agua que pueda evaporar por hora. Otra definición es 1 HP (0.745 kilowatts) por cada 0.93 m2 (10 pie2)de superficie de calentamiento en una caldera acuotubular o 1.11 m2 (12 pie2) de superficie de calentamiento en una caldera humotubular.

EQUIVALENCIAS:

1 HP (0.745 kilowatts) hr de caldera = 15 lt. (4 gal.) de agua evaporada por hora.

1 kg (2.2 lb) de evaporación por hora = 1 lt.(0.26 gal )evaporado por hora.

1 galón de evaporación por hora = 8.34 lbs de agua por hora.

1 HP de caldera = 15 kg (33.36 lb) de agua por hora.

SELECCIÓN DEL SUAVIZADOR PARA CALDERAS

En el proceso de seleccionar un adecuado suavizador del agua para el tratamiento de agua de alimentación de una caldera deben revisarse varias áreas. Esto implica básicamente la necesidad de obtener un análisis del agua, los HP de la caldera y la información referente a la recuperación del vapor. Cada una de estas áreas deberá revisarse previo al proceso de selección de un suavizador.

La dureza se compone de calcio y magnesio. La dureza en las aguas naturales variará considerablemente, dependiendo de la fuente de donde se obtenga el agua. Las secciones del país que tienen formaciones de piedra caliza generalmente tienen un alto contenido de dureza en el agua. Dado que las aguas superficiales son diluidas por las lluvias, el agua de pozo en la misma área normalmente tendrá una dureza mucho más alta que la del agua superficial, dado que el flujo es subterráneo sobre capas de rocas.

Nunca debe suponerse el grado de dureza en una ubicación dada. Deben hacerse todos los esfuerzos posibles para obtener un análisis del agua en el sitio de la instalación. Esto garantizará la precisión en el proceso de selección.

Para poder determinar el tamaño de un suavizador de agua el primer procedimiento en el proceso de selección es determinar la cantidad de dureza. Muchos de los reportes de análisis de agua expresan la dureza total en partes por millón (PPM). La expresión PPM debe ser convertida, si se usa sistema inglés, a granos por galón (GPG) para poder seleccionar el tamaño de un sistema suavizador. Para convertir la dureza expresada en PPM a GPG, dividir PPM entre 17.1.

Ejemplo: Un reporte de dureza total de 400 PPM se convierte como sigue: 400 PPM ÷ 17.1 = 23 GPG de dureza.

DETERMINANDO EL VOLUMEN DE REPOSICIÓN

Para poder determinar la cantidad de agua utilizada para alimentar a una caldera, se necesita hacer cálculos para convertir la capacidad de la caldera a la cantidad máxima de agua de reposición en litros (galones). Las capacidades de la caldera se dan en varias formas. Sin embargo, todas pueden y deben ser convertidas a un factor común de caballos de fuerza. Por cada caballo de fuerza (0.745 kilowatts) se requiere un volumen de agua de alimentación de 16 lt (4.25 gal.) por hora. Para convertir otras capacidades de la caldera a caballos de fuerza debe consultarse la siguiente tabla.

Para determinar los caballos de fuerza de la caldera deben conocerse dos factores adicionales para poder obtener la cantidad neta de agua de relleno requerida en un período de 24 horas. El primero de éstos es determinar la cantidad de retorno de condensado a la caldera. La cantidad del condensado regresado a un sistema de caldera es información vital para seleccionar un suavizador de agua. Esta información normalmente la conoce el operador de la caldera o el ingeniero de diseño. La cantidad del condensado regresado se resta de la cantidad máxima del volumen de agua de relleno calculado de la capacidad en caballos de fuerza. La cantidad neta a la que se hace referencia es la diferencia entre la máxima agua de relleno menos la cantidad de condensado regresado al sistema.

Un método muy preciso para determinar la cantidad neta del agua de relleno por hora, o el porcentaje de condensado regresado, puede ser calculando simplemente de las operaciones existentes, comparando un análisis del agua del tanque receptor del condensado y el agua cruda de relleno. Al comparar estas dos aguas, uno puede ser muy preciso en la cantidad de condensado regresado al sistema.

Ejemplo: Un tanque receptor de condensado con un agua que contenga 300 PPM de sólidos disueltos totales (SDT) y un factor conocido de 600 PPM de SDT en el suministro de agua cruda de relleno nos indicaría un retorno de condensado del 50%. Según se describió antes en esta publicación, el condensado es agua casi perfecta (cero SDT) cuando entra al tanque receptor del condensado. Por lo tanto, cuando el suministro de agua cruda de 600 PPM de SDT es diluida con agua con 0 PPM de SDT en relación 1:1, el resultado sería 300 PPM de SDT o una dilución del 50% o un retorno de condensado del 50%.

El paso final en nuestra recolección de información para el proceso de selección del suavizador es obtener el número de horas que la caldera es operada en un día. Esto no es importante sólo para poder determinar el volumen total de agua de relleno, también es información requerida para determinar el diseño de nuestro sistema suavizador. Una caldera que opera 24 horas al día requerirá agua suave en todo momento. Por lo tanto, el diseño requerirá el uso de dos unidades. En los sistemas que operan 16 horas al día, el uso de un solo suavizador llenará las necesidades de la operación. Típicamente, el tiempo requerido para regenerar un suavizador es menos de tres horas.

CÁLCULOS PARA SELECCIONAR SUAVIZADOR DE CALDERAS

Ahora estamos listos para proceder con un enfoque típico para seleccionar un suavizador de agua. Primero se reúne la información acerca de todos los aspectos del sistema de caldera discutidos en esta sección. Primero habrá que hacer un listado de todos los factores de nuestro diseño. La siguiente representa una planta de caldera típica de la cual podemos calcular la demanda para un suavizador.

(1) DETERMINAR LA DUREZA DEL AGUA

El análisis recibido o tomado está en partes por millón (PPM) o mg/l. Si se usa sistema inglés convertir a granos por galón (GPG).

400 ppm ÷ 17.1 = 23 GPG

(2) DETERMINAR LOS HP DE LA CALDERA

La capacidad de la caldera es en kg (libras) por hora de vapor. Convertir a HPs.

784 kg (1,725 lbs) por hora ÷ 15.7 (34.5) = 50 HP

(3) DETERMINAR EL MAXIMO DE LITROS (GALONES) POR HORA DE AGUA DE RELLENO

La capacidad de la caldera es de 50 HP. Convertir los HP a litros (o galones) por hora de agua de relleno.

50 HP x 16 lt (4.25 gal.) por hora de relleno

(4) DETERMINAR LA CANTIDAD DE CONDENSADO REGRESADO AL SISTEMA Y CALCULAR EL REQUERIMIENTO NETO DE AGUA DE RELLENO

El relleno por hora es de 800 litros (211 galones). El condensado regresado es del 50% o 400 litros (105.5 galones) por hora.

800-400= 400 litros (211 – 105.5 = 105.5 galones) de relleno netos por hora

(5) DETERMINAR LOS REQUERIMIENTOS TOTALES DIARIOS DE RELLENO

400 litros (105.5 galones) de relleno netos por hora. El sistema de caldera opera 16 horas al día. 400 litros (105.5 galones) por hora x 16 horas = 6,400 litros (1,688 galones) por cada día de operación.

(6) DETERMINAR LOS GRAMOS COMO CaCO3 (o GRANOS) DE DUREZA TOTALES QUE DEBERAN SER REMOVIDOS DIARIAMENTE

6,400 litros (1,688 galones) por día con una dureza de 400 ppm o 400 mg/l o 0.4 g/l (23 granos por galón).

6,400 litros x 0.4 g/lt = 2,560 g (1,688 galones x 23 GPG = 38,824 granos) de dureza seca necesitan ser removidos del agua cada día.

La respuesta en nuestro sexto paso de 2,560 gramos (38,824 granos) de dureza seca para ser removidos del agua diariamente, nos lleva a nuestro enfoque final al seleccionar un suavizador de agua. Debido a la naturaleza de la importancia de obtener agua suave para el agua de alimentación de la caldera, debemos dejar un margen de error en nuestro proceso de selección. Comúnmente, este margen es del 15%. La multiplicación de 2,560 gramos (38,824 granos) por día x 1.15 da por resultado una demanda total de remoción de 2,944 gramos (44,648 granos) por día que necesitan ser removidos.

2. SELECCIÓN DE SUAVIZADORES RESIDENCIALES Y COMERCIALES

Utilizar esta tabla para determinar el modelo y tamaño del suavizador para una determinada dureza y un determinado número de personas en la casa o edificio, lo establecido requerido para el ciclo de regeneración y lo establecido (en litros o galones) para el medidor opcional. Ver las notas al pie de la tabla para las CLAVES para leer la tabla.

Número de personas utilizando agua suavizada en la casa (consumo en m3 y gal.)

Lo establecido para el medidor está basado en las

capacidades del suavizador al mínimo de salmuera: 96 g por

litro de resina (6 lbs/pie3 de resina)

CLAVE PARA CADA SEGMENTO HORIZONTAL DE LA TABLA:

Primer renglón = capacidad del suavizador en gramos de dureza como CaCO3

Segundo renglón= capacidad del suavizador en kilogranos de dureza

Tercer renglón = número de DÍAS entre los ciclos de regeneración (cuando se instala un timer)

Cuarto renglón = lo establecido para el medidor (en GALONES utilizados entre regeneraciones,

para LITROS multiplicar x 3.785) cuando se instala un medidor opcional.

DUREZA COMPENSADA: Al seleccionar el equipo de acondicionamiento de agua, la dureza debe basarse en la dureza compensada. La dureza compensada toma en consideración los minerales y otros factores que reducen la capacidad de suavizado de un suavizador. Estas partidas no pueden sacarse de una prueba de dureza estándar. Para llegar a la dureza compensada, multiplicar la cifra de la derecha por la dureza en ppm (mg/l) como CaCO3 o granos por galón.

DETERMINAR SIEMPRE (1) CAPACIDAD DE FLUJO Y

(2) CAPACIDAD TOTAL EN GRAMOS o GRANOS.

3. METODOLOGÍA PARA SELECCIÓN DE SUAVIZADORES AQUAPURIFICACION

1. Se utiliza la siguiente fórmula para determinar la cantidad de resina y el tamaño del tanque:

   Vol.Res. (pie3) = (gasto o flujo en gpm) / (5 gpm/pie3 de resina).

   Ejemplo: si tenemos un flujo pico a usar de 10 gpm; entonces, Vol.Res. = 10 gpm / 5 gpm/pie3 resina = 2 pies3.

   Nota: el flujo mínimo de servicio para un suavizador es de 3 gpm/pie2 de área del tanque. Esto para evitar la canalización del flujo a través de la resina.

   Se usa esta tabla para determinar el tamaño del tanque:

   

   Entonces, en el ejemplo anterior escogeríamos el tanque 12" x 52"

2. DETERMINAR LA CAPACIDAD Y EL TAMAÑO DEL TANQUE.
3. DETERMINAR EL NÚMERO DE REGENERACIONES POR DÍA Y LA VÁLVULA A USAR.

-Determinar la capacidad de la resina usando la tabla siguiente.

Siguiendo el ejemplo anterior tenemos que 2 pie3 de resina tienen una capacidad máxima de 60,000 granos (2 pie3 resina x 30,000 granos/pie3 resina) al regenerarse la resina con 15 lb. por pie3.

-Se usa el dato de dureza del agua, primero convirtiendo la dureza expresada en ppm como CaCO3 a granos/galón y esto se hace dividiendo la dureza del agua en ppm entre 17.1.

Siguiendo el mismo ejemplo, entonces, si tenemos que la dureza del agua es de 500 ppm… Dureza en granos/gal. = 500 ppm/ 17.1 = 29.24 granos/gal.

-Ya que se obtuvo la dureza en granos/galón se le aplica el factor de compensación, que se explicó anteriormente en la página 12:

Siguiendo el mismo ejemplo, entonces, multiplicamos 29.24 granos/gal. x 1.2 y obtenemos la dureza compensada que es 35.09 granos/gal.

-Entonces para obtener el volumen de agua entre regeneraciones y por consecuencia el tiempo entre regeneraciones, se hace lo siguiente:

*Volumen de agua entre regeneraciones(galones) = capacidad total en granos/dureza compensada en granos por galón.

Siguiendo el ejemplo: Volumen de agua entre regeneraciones = 60,000 granos / 35.09 granos/gal. = 1709.9 galones.

*Tiempo entre regeneraciones(días) = Volumen de agua entre regeneraciones (gal.) / volumen de agua(gal.) usado por día.

Siguiendo el ejemplo y suponiendo que se tiene un volumen de uso de agua de 500 galones/día, entonces, el Tiempo entre regeneraciones = (1709.9 galones) / (500 galones / día) = 3.4 días. Esto quiere decir que el equipo se regenerará cada 3.4 días.

Este dato es importante si se quiere escoger entre una válvula con cuenta galones de regeneración inmediata (twin o duplex, p.ej.) o una electromecánica de reloj, ya que la mayoría de las válvulas electromecánicas de reloj solo se pueden regenerar una vez al día. Y también este dato es importante a la hora de programar las válvulas.

Por otra parte, si se cuenta con una válvula que no se puede cambiar y que se regenera una sola vez al día, se requiere una capacidad mayor de resina (un tanque más grande) para lograr una regeneración al día como máximo. Lo anterior, siempre y cuando esta mayor capacidad (tanque) sea adecuada a la capacidad de retrolavado e inyección de la válvula y que el flujo a través de la cama de resina no sea menor a 3 gpm / pie2 de área del tanque.

-Se calcula el retrolavado del tanque para un suavizador y para esto se usa la siguiente formula (para agua con temperaturas de México):

Flujo de retrolavado para un suavizador(gpm) = área del tanque en pie2 x 5.5 gpm/ pie2

Siguiendo con el ejemplo anterior, entonces, Flujo de retrolavado suavizador 12" = 0.79 pie2 x 5.5 gpm/pie2 = 4.34 gpm

*Esta tabla se puede usar para agilizar el proceso:

-Una vez determinados el flujo de servicio, el tiempo entre regeneraciones y el retrolavado se procede a escoger la válvula según las características mencionadas. Ver tabla de válvulas en la última página.

4. DETALLES SOBRE CAPACIDADES DE SUAVIZADORES AQUAPURIFICACION

Nota: la columna "Económica" está basada en una regeneración con 6 lb de sal por pie cúbico de resina. La columna "Normal" está basada en una regeneración con 10 lb de sal por pie cúbico de resina. Y la columna "Máxima" está basada en una regeneración con 15 lb de sal por pie cúbico de resina.

LISTA DE VERIFICACIÓN: Espacio en piso (área de presión) disponible para el sistema.

Ancho:___________ Largo:__________ Alto:___________

Puerta:____ Ancho de Escaleras:____ Ancho Pasillo:_____

¿Hay obstrucciones para el equipo en la entrada? Sí No

¿Piso suficientemente fuerte para soportar el piso del equipo? Si No

Tamaño del dren de piso (¿puede manejar el agua de retrolavado?) Sí No

¿Hay agua disponible para el retrolavado en esa ubicación? Sí No

FUGA CONTINUA

DE DUREZA

en ppm como CaCO3

DOSIFICACIÓN DE SAL EN GRAMOS/ LITRO (O LIBRAS POR o PIE3) DE RESINA

SDT* 96 g/l o 6 lb/pie3 160 g/l o 10 lb/pie3 192 g/l o 12 lb/pie3

250 1.25 0.6 0.2

500 5 2.5 0.8

750 12 6 1.75

1000 20 10 3

1500 45 23 7

2000 – 40 13

2500 – – 20

3000 – – 30

*Sólidos Disueltos Totales en el Agua Cruda como CaCO3

CAPACIDAD DEL TANQUE DE SALMUERA E INFORMACIÓN DEL ÁREA DE SALMUERA

NOTAS:

1. La salmuera saturada es cuando la sal se disuelve en el agua a un 26% por peso.

2. Un litro de salmuera al 26% tiene 0.31 kg (un galón tiene 2.6 lbs) de sal a 27oC (80oF).

3. Un litro de solución de salmuera al 26% pesa 1.2 kg (un galón pesa 10 lb).

4. Un metro cúbico de salmuera al 26% tiene 313 kg (un pie cúbico tiene 19.5 lbs) de sal.

5. Un metro cúbico de solución de salmuera al 26% pesa 1205 kg (un pie cúbico pesa 75 lbs).

6. El peso específico de la salmuera al 26% a 16oC (60oF) es de 1.2.

7. La sal en grano grueso #2 es ±46% y los huecos son del 54% del espacio en un tanque de sal.

ÚTILES FACTORES DE CONVERSIÓN

GPG (granos por galón) = PPM ÷ 17.1

PPM (partes por millón) = MG/L (miligramos/litro)

PSI = Elevación en Pies x .434

es decir: un edif.de 5 pisos = 50’ x .434

= 22 PSI de pérdida en el 5o. piso

Pie Cuadrado de Area de Cama = D2 x .7850

5. PARA SELECCIONAR SUAVIZADORES ES RECOMENDABLE CONTAR CON LA SIGUIENTE INFORMACIÓN:

1)Dureza del agua en ppm o mg/l como CaCO3 o en granos por galón

2)Flujo de agua tratada en lps, lpm o gpm (si no se tiene el dato usar tablas de consumo de agua anteriores para estimar)

3)Contenido de Hierro (Fe)

4)Sólidos Disueltos Totales (SDT) en ppm o mg/l o granos/galón

5)Origen del agua (pozo, ciudad, río presa, etc.)

6)Temperatura y pH del agua

7)Tipo de sistema deseado por el cliente (duplex, simple, etc.)

8)Diámetro de la tubería en mm o pulgadas

9)Opciones de timer electromecánico de reloj o con medidor

10)Rango de capacidad del medidor

11)Tipo de flujo (continuo o con retrolavados)

12)Horas de operación

13)Tipo de establecimiento donde se va a instalar

Bibliografía

http://www.ciberteca.net

http://mx.geocities.com/agua_cosmos/

http://www.bonatura.com/agua.htm

Oswaldo Gastón Ramírez Méndez