2.1. DISEÑO (Dimensionamiento del Equipo).
Type of construccion: Welded
Im Co Se Nº:
Firing Rate: C.F.A.
Firing: 4.7 G.H.P.
Rated: 502.500 BTU/H
Nat: B.N.N. 27303
Certified by: Y – S
Max working pres
Steam: 125
Heating surface: 43.1
Serial Nº 97-20361 H-12448
Year Shipped: 1997
Max Stim Cap: 518 lb/H
Motor. 120 vols
Cycle: 60 Phasg 1
Bummer mt cov 4.3 amps
F.W. Pump mt. wr: 9.8 amps
Fuel pump mt. cor: —– amps
Heater current: —– amps
Control current: 4.6 amps
Model Nº 320- UTB – 15 – 2 – wet back
BOILER Nº A89 – 1036 194477
2.2. CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y PUESTA EN MARCHA DEL EQUIPO
La construcción de las calderas implica la interacción de muchas variables: circulación de agua y de vapor, características del combustible, sistema de combustión y acceso de calor, así como transmisión del mismo. La carcasa del hogar es uno de los componentes más críticos de una caldera y debe diseñarse con criterio conservador para asegurar una disponibilidad elevada del hervidor. La configuración del hogar y su tamaño están determinados por las necesidades de combustión, por las características del combustible, por las normas mas relativas a la emisión de efluentes gaseosos y de la materia solida en partículas, así como por la necesidad de prever un flujo y una temperatura uniformes en el gas que accede a la zona de convección, con el fin de minimizar los depósitos de cenizas y temperatura excesiva en el material del sobrecalentador. Una vez montado el equipo y calibrado sus componentes de control en encendido se produce al dar paso a la corriente eléctrica, el panel de control se encargara de medir todas las variables que se presentan en la caldera para posteriormente abrir la válvula de la alimentación de agua a calentar, la válvula de el combustible, encender el quemador y generar el impulso eléctrico que inicia la combustión.
2.3. PRODUCCION (Operación y mantenimiento).
MANTENIMIENTO:
MANTENIMIENTO DIARIO. Por el operador de la caldera.
1. Limpiar las boquillas del quemador de la caldera.
2. Comprobar el nivel de lubricantes para el compresor en el tanque aire–aceite. Debe de estar a 1/2 de nivel, esto es, dentro del tercio medio y si está más bajo, ponerlo a nivel.
3. PURGAR LA CALDERA POR LO MENOS CADA OCHO HORAS DE TRABAJO, TANTO DE LA PURGA DE FONDO COMO DE SUS COLUMNAS DE CONTROL DE NIVEL. ESTO SE HACE SUBIENDO EL NIVEL DE AGUA A 1/2 CRISTAL Y PURGANDO HASTA QUE ARRANQUE LA BOMBA DE ALIMENTACION. RECOMENDAMOS CONSULTAR A SU EXPERTO EN TRATAMIENTO DE AGUAS AL RESPECTO y ES MUY IMPORTANTE SE SIGAN SUS INSTRUCCIONES ASI COMO TAMBIEN COLOCAR LAS INSTRUCCIONES QUE SOBRE PURGAS DE FONDO Y CONTROL DE NIVEL, ENVIA LA FABRICA CON EL MANUAL DE OPERACION. LEA Y SIGA LAS INSTRUCCIONES DE LA PLACA DE ADVERTENCIA QUE APARECE A UN COSTADO DE LA CALDERA.
4. Comprobar así mismo que la presión indicada por los manómetros de entrada al combustible, la presión en la válvula medidora y la presión de salida de combustible, son las fijadas en su Manual de Operaci6n.
5. Comprobar si la presión de aire de atomizaci6n es la correcta.
6. Comprobar y registrar la temperatura de los gases de la chimenea.
7. Tomar análisis de gases de combustión y registrar en bitácora.
MANTENIMIENTO CADA TERCER DIA. Por el operador de la caldera.
1. Comprobar que la trampa del calentador de vapor opera correctamente.
2. Limpiar los filtros de combustible que están en la succión de la bomba.
MANTENIMIENTO CADA OCHO DIAS. Por el operador de la caldera.
1. Comprobar que no hay fugas de gases ni de aire en las juntas de ambas tapas y mirilla trasera.
2. Comprobar la tensión de la banda al compresor.
3. Limpiar el filtro de lubricante, que está pegado al compresor.
4. Lavar los filtros, tanto el de entrada a la bomba como el de entrada de agua al tanque de condensados.
5. Limpiar el electrodo del piloto de gas.
6. Comprobar que los interruptores termostáticos del calentador de combustible operen a la temperatura a que fueron calibrados al hacer la puesta en marcha. Consulte su Manual de Operaci6n.
7. Inspeccione las prensas estopas de la bomba de alimentación de agua.
MANTENIMIENTO QUINCENAL. Por el operador de la caldera.
1. Hacer limpieza de todos los filtros de agua, aceite combustible y aceite lubricante.
2. Probar la operaci6n por falla de flama.
3. Revisión a las condiciones del quemador, presión, temperatura, etc.
4. Checar los niveles de entrada y paro de la bomba, haciendo uso de las válvulas de purga de fondo de la caldera.
5. Asegúrese que la fotocelda este limpia, así como el tubo en donde se encuentra colocada.
MANTENIMIENTO MENSUAL. Por el operador de la caldera.
1. Comprobar que los niveles del agua son los indicados: 58 mm (2 1/4") de nivel máximo. 45 mm (13/4") arranque de la bomba. 32 mm. ( 1 ¼") corte por bajo nivel
2. COMPROBAR EL BAJO NIVEL, BAJANDO EL INTERRUPTOR DE LA BOMBA DE ALIMENTACION. EL AGUA AL EVAPORARSE IRA DISMINUYENDO EL NIVEL Y SI AL LLEGAR A 32 mm (11/4") NO SE CORTA EL POR BAJO NIVEL, HAY QUE PARAR INMEDIATAMENTE LA CALDERA E INSPECCIONAR EL BULBO DE MERCURIO DE TRES HILOS (DEL LADO DE LA CALDERA) ASI COMO TAMBIEN ASEGURARSE DE UN CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL FLOTADOR Y QUE LA COLUMANA ESTE EXCENTA DE LODOS O ACUMULACIONES.
3. Comprobar el voltaje y cargas que toman los motores.
6) MANTENIMIENTO DE CALDERA TRIMESTRAL. Por el operador de la caldera.
Observar la temperatura del termómetro de salida de gases de la chimenea de la caldera, cuando tenga 80°C por arriba de la temperatura del vapor saturado es indicativo que la caldera está hollinada y hay que proceder a limpiarla
Es conveniente también que se destapen varias tortugas ó registros de en medio y de la parte de abajo, para ver el estado de limpieza interior por el lado del agua. Llame al técnico en tratamiento de agua.
Cada vez que se desholline es conveniente para la mejor conservación del refractario, darle una lechada con mortero refractario, tanto a la tapa trasera como al refractario del hogar. Cambie los empaques. !
Tirar ligeramente de las palancas de las válvulas de seguridad 'para que escapen y evitar que peguen en su asiento.
7) MANTENIMIENTO DE CALDERA SEMESTRAL.
1. Comprobar el nivel de aceite del reductor de velocidad de la bomba de combustible.
2. Revisar los empaques del prensa-estopa de la bomba de alimentación de agua. En caso de encontrarse secos, cámbiense por nuevos.
3. Efectué Limpieza general a los contactos del programador de flama y los arrancadores con un trozo de género limpio, humedecido con tetracloruro de carbono.
4. No después de tres meses de efectuada la puesta en marcha inicial de la caldera y después, según las condiciones lo requieran, la caldera deberá ser enfriada y secadas las cubiertas quitadas y el interior debe ser lavado con agua a presión. Tubos y espejos deberán ser inspeccionados al mismo tiempo para buscar incrustaciones. La efectividad del tratamiento de agua y el porcentaje de agua de repuesto requerida, determinarán los siguientes períodos de limpieza. El servicio de su experto en tratamiento de agua, deberá incluir inspecciones al interior de la caldera, así como análisis del agua periódicas.
5. Inspeccione los tubos fluxes por el lado del hollín y límpiense de ser necesario.
6. Inspeccione el material refractario del horno y la puerta trasera.
7. Limpie las grietas y saque el material refractario que se haya desprendido. Recubra el mismo con un cemento refractario de – . fraguado al aire; el período de este recubrimiento varía con el tipo de carga y operación de la caldera y deber ser determinado por el operador al abrir las puertas para hacer limpieza de hollín.
8. Revise sus bandas de transmisión, de la tensión apropiada
9. Es conveniente lavar la caldera interiormente. Para hacer esto, se quita la reducción del manómetro que va en la tee a la salida de la bomba de alimentación de agua, se coloca ahí una reducción al tamaño de la manguera que se va a utilizar. Antes de hacer todo esto, se enfría la caldera, bajándola de presión y haciendo circular el agua, purgándola para que entre agua fría, así, hasta que este totalmente fría. La operación de enfriamiento deberá hacerse con lapsos de reposo de 20 a 25 minutos para que el enfriamiento no sea brusco y dañe los fluxes. Luego se vacía totalmente de agua y se quitan todas las tortugas. Ya habiendo puesto la manguera en la bomba, se cierra la válvula de entrada de agua a la caldera y al poner a funcionar la bomba, sale agua por la manguera a bastante presión. Con este chorro de agua se lava la caldera interiormente, se mete la manguera por todos los registros de mano hasta que quede bien limpia. Se tapa, limpiando perfectamente las tortugas y el asiento de la misma en la caldera.
10. Comprobar la limpieza de las columnas de control y de las entradas del agua de la bomba de alimentación y el inyector-
11. Comprobar y lavar los pressuretro1es, toda la línea de los mismos y la línea del manómetro.
12. Se refrescan las cuerdas al tornillo de las tortugas y se les pone grafito con aceite para que no se peguen.
13. DESTAPAR TODAS LAS CRUCES Y COMPROBAR QUE ESTEN LIMPIAS. LIMPIAR CADA SEIS MESES CUANDO MENOS.
8) MANTENIMIENTO DE CALDERA ANUAL
1. Limpiar el calentador eléctrico y el calentador de vapor para combustible, así como asentar la válvula de alivio y las reguladoras de presión.
2. Revisar el estado en que se encuentran todas las válvulas de 1 la caldera, asentarlas si es necesario y si no se pueden asentar, cambiarlas por otras nuevas.
3. Re engrasar los baleros de la bomba de agua de combustible.
4. Re lubricar los baleros sellados de las transmisiones ó motores que tengan este tipo de baleros. Repónganse los sellos cuidadosamente, reemplácense los baleros defectuosos ó los que se tenga duda.
5. Vacíe y lave con algún solvente apropiado el tanque aire-aceite , así como todas las tuberías de aire y aceite que de él salgan, procurando que al reponerlas, queden debidamente apretadas
6. Cámbiese el lubricante por aceite nuevo SAE 10.
7. Desarme e inspeccione las válvulas de seguridad, así como las tuberías de drenaje.
Definición de la unidad generadora de vapor
Una caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería que está diseñado para generar vapor saturado. Éste vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado liquido, se calienta y cambia de estado.
Según la ITC-MIE-AP01, caldera es todo aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.
Las calderas son un caso particular de intercambiadores de calor, en las cuales se produce un cambio de fase. Además son recipientes a presión, por lo cual son construidas en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas.
La fuente de calor empleada para vaporizar el agua en las plantas generadora de vapor es vapor de alta o baja presión, el que a su paso por lo serpentines de calentamiento, se condensa, cediendo su calor latente al agua cruda q va ser evaporada. Así, en un evaporador existen dos fuentes de agua destilada. Una, es el condensado de vapor que se ha empleado en calentar el agua, la cual reemplaza al vapor usado por el evaporador u no puede , por lo tanto, ser considerada como “repuesto“. La otra, es el vapor condensado que se convierte en vapor y posteriormente se condensa, los sólidos en suspensión o disuelto en el agua permanecen en la cámara de destilación, a menos q sean arrastrado mecánicamente por el vapor o que pasen en forma de gases.
Los generadores de vapor utilizados en los campos petrolíferos difieren significativamente de las calderas convencionales. Estas, por lo general, se utilizan para generar vapor saturado o quizás vapor sobrecalentado para mover turbinas de vapor.
Debido a las altas velocidades del fluido es necesario separar el vapor del líquido antes de que el vapor sea dirigido a las turbinas, pues de lo contrario las gotas de líquido las dañaría. Como alternativa se puede utilizar el vapor sobrecalentado para evitar la separación liquido vapor. La separación se puede lograr mediante tambores giratorios, haciendo uso de las fuerzas centrifugas y de inercia, resultante de su rotación. El agua condensada es recogida corriente debajo de las turbinas para reutilizarla, por lo cual requiere muy poca agua de reemplazo.
Revisión de los conceptos generales de vapor de agua
4.1. CALOR.
Es posible definirlo como energía transferencia de energía de un cuerpo a otro, se puede asociar al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser generado por reacciones químicas (como en la combustión), reacciones nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre.
Tipos:
Contador de calor
4.2. TEMPERATURA.
Propiedad de los sistemas que determina si están en equilibrio térmico. El concepto de temperatura se deriva de la idea de medir el calor o frialdad relativos y de la observación de que el suministro de calor a un cuerpo con lleva un aumento de su temperatura mientras no se produzca la fusión o ebullición.
Tipos:
Termómetro de mercurio
Pirómetro (700ºc – 3200ºc)
Termómetro de lámina bimetálica
Termómetro de gas
Termómetro de resistencia
Termopar
Termistor
4.3. DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA.
Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el caso. El calor y la temperatura están relacionadas entre si, pero son conceptos diferentes.
El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total.
El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye. Las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y rotando con mayor energía.
Si tomamos dos objetos que tienen la misma temperatura y los ponemos en contacto, no habrá transferencia de energía entre ellos porque la energía media de las partículas en cada objeto es la misma. Pero si la temperatura de uno de los objetos es más ala que la otra, habrá una transferencia de energía del objeto más caliente al objeto más frío hasta que los dos objetos alcancen la misma temperatura.
La temperatura no es energía sino una medida de ella, sin embargo el calor sí es energía.
4.4. CALOR ESPECIFICO DEL AGUA LIQUIDA
Esta propiedad está en relación con los puentes de hidrógeno que se crean entre las moléculas de agua. El agua puede absorber grandes cantidades de calor que utiliza para romper los puentes de hidrógeno, por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. El calor específico del agua se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura en un grado centígrado a un gramo de agua en condiciones estándar y es de 1 cal/°C . g, que es igual a 4,1840 J/oK . g.
4.5. CAPACIDAD CALORIFICA DEL AGUA LIQUIDA.
Energía necesaria para aumentar en un grado la temperatura de un cuerpo. Sus unidades son J·K-1 o J·ºC-1.
Si un cuerpo intercambia cierta cantidad de energía térmica Q y se produce un incremento de temperatura ?T, la relación entre ambas magnitudes es: Q = C·?T donde C es la capacidad calorífica del cuerpo. Aumentar o disminuir la temperatura de un gas encerrado en un recipiente se puede realizar a volumen o a presión constante, por lo que en el caso de las sustancias gaseosas se habla de capacidad calorífica a volumen constante, Cv, y de capacidad calorífica a presión constante, Cp.
La capacidad calorífica de un cuerpo es proporcional a la cantidad de masa presente: C = m·cLa constante c se denomina capacidad calorífica específica o, más comúnmente, calor específico y sólo depende del tipo de sustancia de que se trate, pero no de su cantidad. Es la energía necesaria para elevar en un grado la temperatura de un kilogramo de una sustancia.
Igualmente se puede utilizar el concepto de capacidad calorífica molar, que se define como la energía necesaria para elevar en un grado la temperatura de un mol de sustancia.
Cp = C1 + C2 x T + C3 x T2 + C4 x T3 + C5 x T4
NOMBRE | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | TMIN (K) | CP a T MIN x1E-05 | TMAX (K) | CP a TMAX X1E-05 | |
AGUA | 2.76E+05 | -2.09 E+03 | 8.13 E+00 | -1.41 E-02 | 9.37 E-06 | 273 | 0.7615 | 533 | 0.8939 | |
4.6. PRESION ATMOSFERICA.
La presión atmosférica es la fuerza que el peso de la columna de atmósfera por encima del punto de medición ejerce por unidad de área. La unidad de medición en el sistema métrico decimal es el hectoPascal (hPa) que corresponde a una fuerza de 100 Newton sobre un metro cuadrado de superficie. La variación de la presión con la altura es mucho mayor que la variación horizontal, de modo que para hacer comparables mediciones en lugares distintos, hay que referirlas a un nivel común (usualmente el nivel del mar).
1 mm de mercurio (a 0°C) = 1.332 hPa1 hPa = 1 milibar (mb)1 atmósfera estándar = 1013.25 hPa
4.7. PRESION MANOMETRICA.
Son normalmente las presiones superiores a la atmosférica, que se mide por medio de un elemento que se define la diferencia entre la presión que es desconocida y la presión atmosférica que existe, si el valor absoluto de la presión es constante y la presión atmosférica aumenta, la presión manométrica disminuye; esta diferencia generalmente es pequeña mientras que en las mediciones de presiones superiores, dicha diferencia es insignificante.
4.8. PRESION ABSOLUTA.
Se denomina presión absoluta a la presión que soporta un sistema respecto al cero absoluto. Para poder decir que existe sobrepresión la presión absoluta debe ser superior a la presión atmosférica.Sin embargo, cuando la presión absoluta es inferior a la presión atmosférica decimos que existe una depresión.Para complicar un poco el asunto, diremos que la sobrepresión y la depresión son la presión relativa.Hay que tener en cuenta, que tanto la presión absoluta (Pab) como la presión relativa (Pr) están en función de la presión atmosférica (P0).
Pab = Pr + Patm
4.9. PRESION DE VAPOR.
La presión de vapor o más comúnmente presión de saturación es la presión a la que a cada temperatura las fases líquida y vapor se encuentran en equilibrio; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado.
Imaginemos una ampolla de cristal en la que se ha realizado el vacío y que se mantiene a una temperatura constante. Si introducimos una cierta cantidad de líquido en su interior éste se evaporará rápidamente al principio hasta que se alcance el equilibrio entre ambas fases.
Las moléculas de la superficie del líquido que tengan una mayor energía escaparán de la superficie y pasarán a la fase vapor (evaporación) mientras que las moléculas del vapor chocarán con las paredes de la ampolla y entre sí, perderán energía y caerán al líquido (condensación).
Inicialmente sólo se produce la evaporación, ya que no hay vapor; sin embargo, a medida que la cantidad de vapor aumenta y por tanto la presión, en el interior de la ampolla se va incrementando también la velocidad de condensación, hasta que, transcurrido un cierto tiempo, ambas velocidades se igualan. Llegado este punto, se habrá alcanzado la presión máxima posible en la ampolla (presión de vapor o de saturación), que no podrá superarse salvo que se incremente la temperatura.
El equilibrio se alcanzará más rápidamente cuanta mayor sea la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, pues así se favorece la evaporación del líquido, del mismo modo que un charco de agua extenso, pero de poca profundidad, se seca más rápido que uno más pequeño, pero de mayor profundidad, que contenga igual cantidad de agua. Sin embargo, el equilibrio se alcanza en ambos casos para igual presión.
El factor más importante que determina el valor de la presión de saturación es la propia naturaleza del líquido, de modo que, en general, entre líquidos de naturaleza similar, la presión de vapor a una temperatura dada es tanto menor cuanto mayor es el peso molecular del líquido.
4.10. CALOR SENSIBLE DEL AGUA.
Calor sensible es aquel que recibe un cuerpo y hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su estado. En general, se ha observado experimentalmente que la cantidad de calor necesaria para calentar o enfriar un cuerpo es directamente proporcional a la masa del cuerpo y el número de grados en que cambia su temperatura. La constante de proporcionalidad recibe el nombre de calor específico. El calor sensible se puede calcular por:
Qs = ?HL = m CP (t2 – t1)
CALOR SENSIBLE AÑADIDO AL AGUA DESDE TEMPERATURA AMBIENTE HASTA LA TEMPERATURA DE EBULLICION (100ºc a una atmosfera de presión).
4.12. CALOR SENSIBLE TOTAL DEL AGUA LIQUIDA A EBULLICION A PRESION ATMOSFERICA.
4.13. PUNTOS DE EBULLICIÓN DEL AGUA POR DEBAJO DE LA PRESIÓN ATMOSFERICA.
La ebullición es el proceso físico en el que un líquido pasa a estado gaseoso. Se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión.
Si se continúa calentando el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura de la masa gaseosa.
Punto de ebullición de agua a diferentes presiones (presión de vapor de agua a diferentes temperaturas)
Presión de vapor, mm Hg
?, °?
Presión de vapor, mm Hg
?, °?
680
96,92
721
98,53
681
96,96
722
98,57
682
97,00
723
98,61
683
97,04
724
98,65
684
97,08
725
98,69
685
97,12
726
98,72
686
97,16
727
98,76
687
97,20
728
98,80
688
97,24
729
98,84
689
97,28
730
98,88
690
97,32
731
98,91
691
97,36
732
98,95
692
97,40
733
98,99
693
97,44
734
99,03
694
97,48
735
99,07
695
97,52
736
99,10
696
97,56
737
99,14
697
97,60
738
99,18
698
97,63
739
99,22
699
97,67
740
99,26
700
97,71
741
99,29
701
97,75
742
99,33
702
97,79
743
99,37
703
97,83
744
99,41
704
97,87
745
99,44
705
97,91
746
99,49
706
97,95
747
99,52
707
97,99
748
99,56
708
98,03
749
99,59
709
98,07
750
99,63
710
98,11
751
99,67
711
98,14
752
99,70
712
98,18
753
99,74
713
98,22
754
99,78
714
98,26
755
99,82
715
98,30
756
99,85
716
98,34
757
99,89
717
98,38
758
99,93
718
98,42
759
99,96
719
98,45
760
100,00
720
98,49
4.14. DENSIDAD DEL AGUA.
En la tabla se muestra la densidad del agua a distintas temperaturas. Se observa que el agua alcanza su densidad máxima a 4 ºC.
TEMPERATURA (ºC)
DENSIDAD (kg/m3)
0
999.8
2
999.9
4
1000.0
6
999.9
8
999.8
10
999.7
20
998.2
30
995.6
40
992.2
50
988.0
60
983.2
70
977.7
80
971.8
90
965.2
100
958.3
4.15. VOLUMEN ESPECÍFICO DEL VAPOR.
El volumen específico (v) es el volumen ocupado por unidad de masa de un material. Es la inversa de la densidad. no dependen de la cantidad de materia. Ejemplos: dos pedazos de hierro de distinto tamaño tienen diferente peso y volumen pero el peso específico de ambos será igual. Este es independiente de la cantidad de materia considerada para calcularlo. Dentro de estas están con ejemplo el punto de ebullición, el brillo, el color, la dureza y el punto de fusión
Donde, V es el volumen, m es la masa y ? es la densidad del material
Presión del vapor de agua y volumen especifico a diferentes temperaturas.
TEMPERATURA (ºc)
PRESION DEL VAPOR (torr)
V. ESPECIFICO (lt/g)
0
4.6
208.33
20
17.5
57.80
40
55.3
19.57
60
149.0
7.66
80
355.0
3.40
100
760.0
1.67
4.16. CALOR ESPECÍFICO DEL VAPOR DE AGUA.
El calor específico o capacidad calorífica específica de una sustancia es una magnitud física que indica la capacidad de un material para almacenar energía interna en forma de calor.1 De manera formal es la energía necesaria para incrementar en una unidad de temperatura una cantidad de sustancia; usando el SI es la cantidad de julios de energía necesaria para elevar en un 1 K la temperatura de 1 kg de masa.2 Se la representa por lo general con la letra c.
Calor específico del vapor agua a 0ºC (presión constante)
1850 J/K·kg
0.44 cal/K·g
Calor específico del vapor agua a 0ºC (volumen constante)
1390 J/K·kg
0.331 cal/K·g
Calor específico del vapor agua a 15ºC (presión constante)
1875 J/K·kg
4.17. ENTALPIA DEL VAPOR DE AGUA.
Entalpía, cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste puede intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reacción química a presión constante, el cambio de entalpía del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reacción. En un cambio de fase, por ejemplo de líquido a gas, el cambio de entalpía del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporización. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado de variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión constante. El término de entalpía fue acuñado por el físico alemán Rudolf J.E. Clausius en 1850. Matemáticamente, la entalpía H es igual a U + pV, donde U es la energía interna, p es la presión y V es el volumen. H se mide en julios.
T (0k)
ENTALPIA (kj/kg)
160
2.291
210
2.384
255
2.468
273
2.502
295
2.541
320
2.586
345
2.630
370
2.671
390
2.702
430
2.753
4.18. CALIDAD DEL VAPOR DE AGUA.
El titulo se puede definir como la masa de vapor presente en una mezcla total. Su determinación puede ser realizada utilizando un calorímetro de mezcal, de Ellison o de expansión y un sobre calentador.
Donde: masa total = masa liquido + masa vapor.
El valor del titulo va de 0 a 1: los estados de liquido saturado tienen x = 0 y los de vapor saturado corresponden a x = 1. Aunque se define como un cociente, el titulo se da frecuentemente como un porcentaje.
4.19. CONDENSADO DEL VAPOR (proceso isotérmico no adiabático).
Se denomina condensación al proceso físico que consiste en el paso de una sustancia en forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización.
Aunque el paso de gas a líquido depende, entre otros factores, de la presión y de la temperatura, generalmente se llama condensación al tránsito que se produce a presiones cercanas a la ambiental. Cuando se usa una sobrepresión elevada para forzar esta transición, el proceso se denomina licuefacción.
El proceso de condensación suele tener lugar cuando un gas es enfriado hasta su punto de rocío. Sin embargo este punto también puede ser alcanzado variando la presión. El equipo industrial o de laboratorio necesario para realizar este proceso de manera artificial se llama condensador
La ciencia que estudia las propiedades termodinámicas del aire húmedo y los efectos que tiene la variación de la humedad atmosférica sobre los materiales y el ser humano. Las interrelaciones entre los parámetros que determinan la condición del aire húmedo se representan en los diagramas psicométricos. La condensación es un proceso regido con los factores en competición de energía y entropía. Mientras que el estado líquido es más favorable desde el punto de vista energético, el estado gas es el más entrópico.
4.20. DRENADO DEL CONDENSADO (purgadores de condensado o trampas de vapor).
Tan pronto como el vapor deja la caldera empieza a ceder parte de su energía a cualquier superficie de menor temperatura. Al hacer esto, parte del vapor se condensa convirtiéndose en agua, prácticamente a la misma temperatura.
La combinación de agua y vapor hace que el flujo de calor sea menor ya que el coeficiente de transferencia de calor del agua es menor que el del vapor.
De acá nos podemos dar cuenta de la importancia de las trampas de vapor para una empresa que utiliza algún equipo calentado con vapor.
Las ventajas de utilizar trampas son muchas, nombrando unas de las más comunes la de economizar grandes cantidades del combustible requerido para calentar las inmensas cantidades de agua lo que conlleva a un ahorro en los costos no despreciable.
Teniendo en cuenta la energía que puede entregar al trabajar con vapor es que en el mercado existen varios tipos de trampas de vapor, las cuales se dividen por grupos, que veremos a continuación.
DEFINICION
Una trampa para vapor es un dispositivo que permite eliminar: condensado, aire y otros gases no condensables, además de prevenir pérdidas de vapor.
Eliminación de condensado: El condensado debe pasar siempre, rápido y completamente a través de la trampa para vapor para obtener un mejor aprovechamiento de la energía térmica del vapor.
Eliminación de aire y otros gases no condensables: El aire y los gases disminuyen el coeficiente de transferencia de calor. Además, se debe tener presente que el O2 y el CO2 causan corrosión.
Prevención de pérdidas de vapor: No deben permitir el paso de vapor sino hasta que éste ceda la mayor parte de energía que contiene, también las pérdidas de vapor deben ser mínimas mientras la trampa libera vapor condensado, aire y gases incondensables.
Luego de tener clara la definición y función de trampa de vapor, analizaremos los diferentes grupos que existen en el mercado:
GRUPO MECANICO.
GRUPO TERMODINAMICO.
GRUPO TERMOSTATICO
GRUPO MECANICO:
Las trampas de vapor del tipo mecánico trabajan con la diferencia de densidad entre el vapor y el condensado. Estas trampas trabajan mediante un flotador, el cual hace de válvula, en la que, cuando se acumula condensado ésta se abre descargándolo. Cuando está cerrada, comienza nuevamente el ciclo llenándose de vapor para luego comenzar nuevamente.
GRUPO TERMODINAMICO:
Este tipo de trampas de vapor opera con el principio de diferencia entre flujo de vapor sobre la superficie comparado con el flujo del condensado. Al entrar el vapor este viene con una velocidad mayor y el disco que usan como válvula se cierra, y éste disco se abre al presentarse la baja velocidad del condensado.
Su funcionamiento es relativamente simple, ya que en su interior solo poseen una sola pieza en movimiento, un disco flotante.
GRUPO TERMOSTATICO:
Estas trampas operan mediante un sensor de temperatura, el que identifica la temperatura del vapor y del condensado. Como el vapor se condensa adquiere una temperatura menor a la del vapor, cuando ésta temperatura del condensado llega a un valor especifico, la trampa abrirá para drenar el condensado.
4.21. AISLAMIENTO TERMICO.
Aislamiento térmico es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor por conducción. Se evalúa por la resistencia térmica que tienen. La medida de la resistencia térmica o, lo que es lo mismo, de la capacidad de aislar térmicamente, se expresa, en el Sistema Internacional de Unidades (SI) en m².K/W (metro cuadrado y kelvin por vatio). Los materiales de aislamiento térmico se emplean para reducir el flujo de calor entre zonas calientes y frías. Por ejemplo, el revestimiento que se coloca frecuentemente alrededor de las tuberías de vapor o de agua caliente reduce las pérdidas de calor, y el aislamiento de las paredes de una nevera o refrigerador reduce el flujo de calor hacia el aparato y permite que se mantenga frío. Ejemplos de estos aislantes térmicos específicos pueden ser las lanas minerales (lana de roca y lana de vidrio).
El aislamiento térmico puede cumplir una o más de estas tres funciones: reducir la conducción térmica en el material, que corresponde a la transferencia de calor mediante electrones; reducir las corrientes de convección térmica que pueden establecerse en espacios llenos de aire o de líquido, y reducir la transferencia de calor por radiación, que corresponde al transporte de energía térmica por ondas electromagnéticas. La conducción y la convección no tienen lugar en el vacío, donde el único método de transferir calor es la radiación. Si se emplean superficies de alta reflectividad, también se puede reducir la radiación. Por ejemplo, puede emplearse papel de aluminio en las paredes de los edificios. Igualmente, el uso de metal reflectante en los tejados reduce el calentamiento por el sol. Los termos o frascos Dewar (véase Criogenia) impiden el paso de calor al tener dos paredes separadas por un vacío y recubiertas por una capa reflectante de plata o aluminio.
El aire presenta unas 15.000 veces más resistencia al flujo de calor que un buen conductor térmico como la plata, y unas 30 veces más que el vidrio. Por eso, los materiales aislantes típicos suelen fabricarse con materiales no metálicos y están llenos de pequeños espacios de aire. Algunos de estos materiales son el carbonato de magnesio, el corcho, el fieltro, la guata, la fibra mineral o de vidrio y la arena de diatomeas. El amianto se empleó mucho como aislante en el pasado, pero se ha comprobado que es peligroso para la salud y ha sido prohibido en los edificios de nueva construcción de muchos países.
En los materiales de construcción, los espacios de aire proporcionan un aislamiento adicional; así ocurre en los ladrillos de vidrio huecos, las ventanas con doble vidrio (formadas por dos o tres paneles de vidrio con una pequeña cámara de aire entre los mismos) y las tejas de hormigón (concreto) parcialmente huecas. Las propiedades aislantes empeoran si el espacio de aire es suficientemente grande para permitir la convección térmica, o si penetra humedad en ellas, ya que las partículas de agua actúan como conductores. Por ejemplo, la propiedad aislante de la ropa seca es el resultado del aire atrapado entre las fibras; esta capacidad aislante puede reducirse significativamente con la humedad.
Los costes de calefacción y aire acondicionado en las viviendas pueden reducirse con un buen aislamiento del edificio. En los climas fríos se recomiendan unos 8 cm de aislamiento en las paredes y entre 15 y 20 cm de aislamiento en el techo.
Recientemente se han desarrollado los llamados superaislantes, sobre todo para su empleo en el espacio, donde se necesita protección frente a unas temperaturas externas cercanas al cero absoluto. Los tejidos superaislantes están formados por capas múltiples de mylar aluminizado, cada una de unos 0,005 cm de espesor, separadas por pequeños espaciadores, de forma que haya entre 20 y 40 capas por centímetro.
4.22. DRENADO DE AIRE (purgadores de aire).
Un purgador de aire es un dispositivo que elimina partículas sólidas como por ejemplo polvo, polen, bacterias del aire o sustancias no deseadas. Los filtros de aire encuentran una utilidad allí donde la calidad del aire es de relevancia, especialmente en sistemas de ventilación de edificios y en motores tales como los de combustión interna, compresores de gas, compresores para bombonas de aire, turbinas de gas y demás.
Algunos edificios, así como aeronaves y otros entornos creados por el hombre (ej. satélites o lanzaderas espaciales) utilizan filtros a partir de espuma, papel plegado, o fibra de vidrio cruzada. Otro método usa fibra o elementos con carga eléctrica estática, que atraen las partículas de polvo. Las tomas de aire de motores de combustión interna o de compresores suelen usar fibras de papel, espuma o algodón. Los filtros bañados en aceite han ido desapareciendo. La tecnología para los filtros en las tomas de aire de turbinas de gas ha avanzado significativamente en los últimos años, gracias a mejoras en la aerodinámica y dinámica de fluidos de la parte del compresor de aire de las turbinas de gas
4.23. ELIMINACION DE IMPUREZAS SOLIDAS DEBIDO A LA CORROSION.
Para eliminarse impurezas en el interior de la caldera debe removerse con lavado a presión cualquier cantidad de grasa, lodo o sedimento que se encuentre.
Se debe verificar la eficiencia de la purga de de calderas de vapor, y la planificación o frecuencia de la purga podría necesitar revisión. También se indicará la necesidad de drenaje o lavados a presión periódicos.
Cualquier cantidad de aceite o grasa en las superficies de calefacción deberán removerse inmediatamente con una solución de detergente alcalina.
Nota: La temperatura del agua de llenado inicial para pruebas hidrostáticas, limpieza con soluciones químicas o para la operación normal, deberá ser indicada en el código de ASME.
4.24. ESTUDIO DE LA TABLA DE VAPORES.
Fundamento de la clasificación del vapor
El vapor de agua puede dividirse según la presencia de moléculas de agua condensadas en el mismo, se dividen en:
Vapor Seco.- Se llama vapor seco o vapor sobrecalentado a aquel que solo contiene moléculas de agua en estado gaseoso. Para mejor rendimiento en el proceso la caldera debe ser capaz de producir vapor seco ya que es el mejor conductor de calor, aunque en la práctica producir vapor 100% seco es prácticamente imposible.
Vapor Húmedo.- Es el vapor de agua en cuya composición tiene una presencia elevada de moléculas de agua condensadas.
Clasificación fundamental de los calderos
Los calderos se clasifican fundamentalmente por el sitio o espacio destinado para los gases de combustión y para el agua de trabajo:
6.1. ACUATUBULARES.
Son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza a través de tubos durante su calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya que permiten altas presiones a su salida, y gran capacidad de generación.
Flujo máximo: 270000 Kg/H (vapor)
Presión máxima: 200 Kg/cm2
6.2. PIROTUBULARES.
En este tipo el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente, y es atravesado por tubos por los cuales circula gases a alta temperatura producto de un proceso de combustión.
Flujo máximo: 18200 Kg/H (vapor)
Presión máxima: 18 Kg/cm2
Temperatura máxima: 250 oC
Procesos unitarios aplicados en la generación de vapor
7.1. COMBUSTION.
Proceso en el cual un comburente se transforma en energía calórica la cual al transferirse al agua permite la evaporación.
7.2. REACCIONES QUIMICAS EN LA CAMARA DEL AGUA.
Las reacciones químicas principales que se producen en el agua de calderas con las sales presentes por el agua de aporte son las siguientes:
Ca ++ + 2 HCO3 - ————> CO3 Ca + CO2 + H2O
Ca ++ + SO4= ————> SO4Ca Ca++ + SiO3= ——–> SiO3Ca
Mg++ + 2 CO3 H- ————-> CO3 Mg + CO2 + H2O
CO3 Mg + 2 H2O ———> (HO)2 Mg + CO2Mg++ + SiO3 —–> SiO3 Mg
Operaciones unitarias aplicadas en la generación de vapor
8.1. VAPORIZACION.
La Vaporización es el cambio de estado de líquido a gaseoso. Hay dos tipos de vaporización: la ebullición y la evaporación.
La Ebullición es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado líquido al estado de vapor. Para que ello ocurra debe aumentar la temperatura en toda la masa del líquido.
La diferencia entre la evaporación y la ebullición, es que en la evaporación, el cambio de estado ocurre solamente en la superficie del líquido.
8.2. TRANSFERENCIA DE CALOR, CALENTAMIENTO DE AGUA (método directo a través de paredes de tubos).
La transferencia de calor se produce desde los gases generados de la combustión hacia el agua de trabajo contenido en el interior de la caldera. La velocidad de transferencia del calor depende principalmente de la turbulencia y de la magnitud del flujo de calor recibido. La turbulencia es una función de la velocidad másica del fluido y de la rugosidad de los tubos (en especial para turbinas acuatubulares).
8.3. CONDENSACION.
Condensación, en física, proceso en el que la materia pasa a una forma más densa, como ocurre en la licuefacción del vapor. La condensación es el resultado de la reducción de temperatura causada por la eliminación del calor latente de evaporación; a veces se denomina condensado al líquido resultante del proceso.
La eliminación de calor reduce el volumen del vapor y hace que disminuyan la velocidad de sus moléculas y la distancia entre ellas. Según la teoría cinética del comportamiento de la materia, la pérdida de energía lleva a la transformación del gas en líquido.
Equipos generadores de vapor
Un generador de vapor es una máquina o dispositivo de ingeniería, donde la energía química, se transforma en energía térmica. Generalmente es utilizado en las turbinas de vapor para generar vapor, habitualmente vapor de agua, con energía suficiente como para hacer funcionar una turbina en un ciclo de Rankine modificado.
Los generadores de vapor se diferencian de las calderas por ser mucho más grandes y complicados.
Calderas Sencillas.
Calderas con Hervidores.
Calderas de Hogar Interior.
DIAGRAMA BASICO DE UN CALDERO
Calderos de pasos múltiples
11.1. PASOS PARES.
Como su nombre lo indica son calderos que tienen un número par de pasos de una caldera de tubos de humo siendo los de 4 pasos los mas comunes de su tipo.
Una caldera de pasos pares, requiere de energía adicional (motor de ventilador) para dar la vuelta adicional de 180°, lo cual baja la eficiencia total de la caldera.
Una caldera de 4 pasos, no tiene una mayor área de transferencia de calor, que una de 3 pasos. No tiene mayor eficiencia, y no tiene un menor consumo de combustible.
11.2. PASOS IMPARES.
Como su nombre lo indica son calderos que tienen un número par de pasos de una caldera de tubos de humo que por lo general de 3 pasos el mas fabricado a nivel mundial.
El número de pasos de una caldera de tubos de humo, no brinda ningún beneficio. Los pasos nos dan únicamente el arreglo de los tubos dentro del diseño de la caldera de cada fabricante. El 95% de todas las calderas de tubos de humo que se fabrican a nivel mundial es de 3 pasos.
Partes fundamentales de un caldero
12.1. CALDEROS ACUATUBULARES.
12.1.1. CAMARA DE AGUA (tubos de agua).
La cámara de agua en los calderos acuatubulares esta dado por un conjunto de tubos o bancadas de tubos por donde va a circular el agua de trabajo que tras ganar calor va a pasar a ser vapor.
12.1.2. CAMARA DE FUEGO.
La cámara de fuego en las calderas acuatubulares es el lugar que contiene la combustión y por donde van a pasar los tubos por donde va a circular el agua de trabajo.
12.2. CALDEROS PIROTUBULARES.
12.2.1. CAMARA DE AGUA
La cámara de agua de los calderos pirotubulares se lo denomina al espacio que contiene el agua en el interior del caldero.
12.2.2. CAMARA DE FUEGO (tubos de fuego).
La cámara de fuego de los calderos pirotubulares es dado por un tubo que se encuentra en el interior de la cámara de agua de dichas calderas, en el cual se va a llevar q cabo la combustible.
12.3. BOMBA DE ALIMENTACIÓN DE AGUA.
Las bombas de alimentación de calderas están diseñadas para suministrar agua a las calderas. Un controlador de nivel en la caldera activa las bombas de alimentación de calderas.
Una bomba es una máquina hidráulica generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud.
La principal clasificación de las bombas segun el funcionamiente en que se base:
Bombas de desplazamientos positivos o volumétricos, en las que el principio de funcionamiento está basado en la hidrostática, de modo que el aumento de presión se realiza por el empuje de las paredes de las cámaras que varían su volumen. En este tipo de bombas, en cada ciclo el órgano propulsor genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada, por lo que también se denominan bombas volumétricas. En caso de poder variar el volumen máximo de la cilindrada se habla de bombas de volumen variable. Si ese volumen no se puede variar, entonces se dice que la bomba es de volumen fijo.
Bombas rotodinámicas, en las que el principio de funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el fluido, aplicando la hidrodinámica. En este tipo de bombas hay uno o varios rodetes con álabes que giran generando un campo de presiones en el fluido. En este tipo de máquinas el flujo del fluido es continuo.
12.4. TANQUE DE ALIMENTACIÓN DE AGUA.
El tanque de alimentación es un reservorio destinado para almacenar el agua que este lista para ingresar a la caldera, pueden ser de tipo atmosféricos y de tipo presurizados. Tanto los tanques atmosféricos como los presurizados están disponibles con o sin calentador de tipo inyección directa (a veces se llama tubo de precalentamiento). Los tanques presurizados pueden estar construidos con código ASME o sellados con código ASME. El material del depósito puede ser de acero negro o de acero inoxidable. Los tanques de acero negro se pueden revestir con epoxi o plasite. Un equipo típico incluye colector, bombas de alimentación (montadas y canalizadas) y un panel de control precableado y montado. La unidad se puede elevar en un bastidor de acero si es necesario.
12.5. CONTROLES DE NIVEL DE AGUA.
En las calderas el instrumento encargado de controlar el nivel del agua dentro del mismo son los mcDonell, son controles movidos por un flotador que hacen o rompen contacto cuando el nivel del agua en la caldera se eleva ó desciende. Pueden ser usados en calderas de cualquier presión (máximo 150 PSI) y cualquier capacidad de vaporeo. También controla la presión interna, el diferencial de presión, el encendido y apagado de el caldero.
12.6. VALVULAS DE PURGA.
12.6.1. PURGA DE SUPERFICIE.
Las Purgas de Superficie requieren de mayor cuidado. En primer lugar debemos saber cuánto se debe sacar. Si se purga más agua de la necesaria, perdemos recursos (agua, combustible, químicos, tiempo, etc.), y si purgamos menos de lo requerido, se forma espuma suficiente como para causar daño. La siguiente fórmula permite saber la cantidad de agua a purgar desde el interior de la caldera:
P = F x S
B – F
Donde:
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