UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA “IDENTIFICACION DE OPORTUNIDADES DE AHORRO ENERGÉTICO EN LA PRODUCCIÓN, DISTRIBUCIÓN Y CONSUMO DE VAPOR EN LA RED DEL HOSPITAL ROSALES” TRABAJO DE GRADUACIÓN PARA OPTAR AL GRADO DE: INGENIERO MECÁNICO Presentan: DANIEL LEONARDO AYALA CASTILLO EDUARDO ERNESTO FLORES SERRANO JOSÉ GUILLERMO MORENO ALFARO CIUDADELA DON BOSCO, JULIO DE 2006, EL SALVADOR. UNIVERSIDAD DON BOSCO RECTOR: ING. FEDERICO MIGUEL HUGUET RIVERA. SECRETARIO GENERAL: LIC. MARIO OLMOS, SDB. DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA: ING. ERNESTO GODOFREDO GIRÓN. ASESOR: ING. GUSTAVO SALOMÓN TORRES RIOS LAZO. JURADOS: ING. EDWIN ZEPEDA. ING. MARIO MOLINA. ING. AGUSTIN BARRERA CARPIO. UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA “IDENTIFICACION DE OPORTUNIDADES DE AHORRO ENERGÉTICO EN LA PRODUCCIÓN, DISTRIBUCIÓN Y CONSUMO DE VAPOR EN LA RED DEL HOSPITAL ROSALES” ING. EDWIN ROMEO ZEPEDA. ING. MARIO ARNOLDO MOLINA. JURADO JURADO ING. AGUSTÍN BARRERA CARPIO. JURADO ING. GUSTAVO SALOMÓN TORRES RIOS LAZO. ASESOR INDICE INTRODUCCION............................................................................................................ OBJETIVOS..................................................................................................................... OBJETIVO GENERAL................................................................................................ OBJETIVO ESPECIFICO........................................................................................... CAPITULO I: MARCO TEÓRICO. 1.1 CONCEPTOS TERMODINÁMICOS........................................................................ 1.1.1 ENERGÍA............................................................................................................. 1.1.2 CALOR................................................................................................................. 1.1.2.1 TRANSMISIÓN DEL CALOR.......................................................................... 1.1.2.1.1 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN............................... 1.1.2.1.2 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN............................... 1.1.2.1.3 TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN.................................... 1.1.3 CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA.......................................................... 1.1.3.1 LICUEFACCIÓN O FUSIÓN........................................................................... 1.1.3.2 EBULLICIÓN................................................................................................... 1.1.3.3 EVAPORACIÓN.............................................................................................. 1.1.3.4 VAPORIZACIÓN............................................................................................. 1.1.4 PROPIEDADES TÉRMICAS DE LA MATERIA................................................... 1.1.4.1 CAPACIDAD TÉRMICA................................................................................ 1.1.4.2 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (K)................................................................. 1.1.4.3 CAPACIDAD CALORÍFICA (CP)................................................................... 1.1.4.4 CAPACIDAD TÉRMICA VOLUMÉTRICA..................................................... 1.1.4.5 DIFUSIVIDAD TÉRMICA.............................................................................. 1.1.4.6 CALOR ESPECÍFICO................................................................................... 1.1.4.7 CALOR LATENTE......................................................................................... 1.1.4.7.1 CALOR LATENTE DE FUSIÓN............................................................... 1.1.4.7.2 CALOR LATENTE DE EVAPORACIÓN.................................................. 1.1.4.7.3 CALOR TOTAL DE EVAPORACIÓN....................................................... 1.1.4.8 CALOR SENCIBLE....................................................................................... 1.2 VAPOR DE AGUA.................................................................................................... 1.2.1 VARIABLES DE ESTADO DEL VAPOR.............................................................. i iii iii iii 4 4 4 4 4 5 6 6 7 8 8 9 9 9 9 9 10 10 10 10 10 11 11 11 11 12 1.2.1.1 TEMPERATURA............................................................................................. 1.2.1.2 PRESIÓN........................................................................................................ 1.2.1.3 ENTALPÍA....................................................................................................... 1.2.1.3.1 ENTALPÍA ABSOLUTA.............................................................................. 1.2.1.3.2 ENTALPÍA ESPECIFICA........................................................................... 1.2.1.3.3 ENTALPÍA DE LIQUIDO............................................................................ 1.2.1.3.4 ENTALPÍA DE VAPORIZACION................................................................ 1.2.1.3.5 ENTALPÍA DE VAPOR.............................................................................. 1.2.1.4 CALOR TOTAL DEL VAPOR......................................................................... 1.2.1.5 ENTROPÍA...................................................................................................... 1.2.1.6 CALIDAD DEL VAPOR................................................................................... 1.2.2 TABLAS DE VAPOR............................................................................................ 1.2.2.1 CONCEPTOS UTILIZADOS PARA EL USO DE LAS TABLAS DE VAPOR.. 1.2.2.2 DIAGRAMA DE MOLLIER.............................................................................. 1.2.3 FLUIDOS EN TUBERÍAS.................................................................................... 1.2.3.1 EL VAPOR COMO FLUIDOS......................................................................... 1.2.3.2 EL VAPOR COMO MEDIO DE TRANSPORTE DE ENERGÍA...................... 1.3 GENERADOR DE VAPOR....................................................................................... 1.3.1 COMPONENTES DE UN GENERADOR DE VAPOR......................................... 1.3.2 CLASIFICACION DE LOS GENERADORES DE VAPOR................................... 1.3.2.1 CALDERAS TUBOS DE AGUA...................................................................... 1.3.2.1.1 DE TUBOS INCLINADOS.......................................................................... 1.3.2.1.2 DE TUBOS DOBLADOS Y PAREDES DE AGUA..................................... 1.3.2.2 CALDERAS TUBOS DE FUEGO................................................................... 1.3.2.2.1 CALDERA TUBULAR HORIZONTAL........................................................ 1.3.2.2.2 CALDERA TUBULAR VERTICAL.............................................................. 1.3.2.3 CALDERAS SIN TUBOS................................................................................ 1.3.3 SISTEMA DE AGUA DE ALIMENTACIÓN.......................................................... 1.3.3.1 RESERVA MÍNIMA DE AGUA........................................................................ 1.3.3.2 EQUIPO DE BOMBEO................................................................................... 1.3.3.3 CONTROL NIVEL DE AGUA......................................................................... 1.3.3.4 AGUA DE ALIMENTACIÓN A CALDERAS..................................................... 1.3.3.4.1 PROBLEMAS DERIVADOS DE LA UTILIZACIÓN DE AGUA EN CALDERAS................................................................................................. 12 12 13 13 13 13 13 13 13 14 14 14 15 15 17 19 21 21 22 24 25 26 27 30 31 31 32 33 33 34 34 35 38 1.3.4 APARATOS DE CONTROL Y MONITOREO...................................................... 1.3.4.1 CONTROL PROGRAMADOR........................................................................ 1.3.5 COMPONENTES DE SEGURIDAD DE UN GENERADOR DE VAPOR............ 1.4 DISTRIBUCION DE VAPOR..................................................................................... 1.4.1 SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR (TUBERÍAS)................................... 1.4.1.1 MATERIALES DE LAS TUBERÍAS DE VAPOR............................................. 1.4.1.2 DIMENSIONAMIENTO DE TUBERÍAS.......................................................... 1.4.2 AISLAMIENTO TÉRMICO................................................................................... 1.4.2.1 INCIDENCIA Y NECESIDAD DEL AISLAMIENTO EN EL TRANSPORTE DE FLUIDOS................................................................................................... 1.4.2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS AISLANTES......................................................... 1.4.2.2.1 MONTAJE DEL MATERIAL AISLANTE..................................................... 1.4.3 DILATACIÓN DE TUBERÍAS.............................................................................. 1.4.3.1 FLEXIBILIDAD DE LA TUBERÍA.................................................................... 1.4.3.2 JUNTAS DE DILATACIÓN............................................................................. 1.4.4 SOPORTE DE TUBERÍAS.................................................................................. 1.4.5 LINEAS DE DISTRIBUCIÓN............................................................................... 1.4.6 CONEXIÓN DE DERIVACIONES........................................................................ 1.4.7 VÁLVULAS.......................................................................................................... 1.4.7.1 VÁLVULAS DE SEGURIDAD......................................................................... 1.4.7.1.1 CONSTRUCCIÓN DE LA VÁLVULA DE SEGURIDAD............................. 1.4.7.2 VÁLVULA ANTIRRETORNO.......................................................................... 1.4.7.3 VÁLVULAS EN ÁNGULO............................................................................... 1.4.7.4 VÁLVULA DE COMPUERTA.......................................................................... 1.4.7.5 VÁLVULAS UNIDIRECCIONALES................................................................. 1.4.8 TRAMPAS DE VAPOR........................................................................................ 1.4.8.1 CLASIFICACIÓN DE LAS TRAMPAS DE VAPOR......................................... 1.4.8.1.1 TRAMPAS DE VAPOR TERMOSTÁTICAS............................................... 1.4.8.1.2 TRAMPAS DE VAPOR DE TIPO MECÁNICO........................................... 1.4.8.1.3 TRAMPA DE IMPULSO............................................................................. 1.4.8.1.4 TRAMPA TERMODINÁMICA..................................................................... 1.4.8.2 LOCALIZACIÓN DE LAS TRAMPAS DE VAPOR.......................................... 1.5 SEGURIDAD PARA INSTALACIÓNES DE SISTEMAS DE VAPOR........................ 40 40 41 44 44 45 45 46 46 47 52 53 53 54 55 56 58 59 59 60 61 62 62 63 64 64 65 65 66 67 67 68 CAPITULO II: ANALÍSIS DEL SISTEMA DE VAPOR HOSPITAL NACIONAL ROSALES 2.0 SISTEMA VAPOR DEL HOSPITAL NACIONAL ROSALES..................................... 2.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE VAPOR............................................................. 2.1.1 ELEMENTOS DE PRODUCCIÓN........................................................................ 2.1.2 ELEMENTOS DE DISTRIBUCIÓN....................................................................... 2.1.3 ELEMENTOS DE CONSUMO.............................................................................. 2.2 CONDICIONES ACTUALES DEL SISTEMA DE VAPOR........................................ 2.2.1 VIDA PROMEDIO DE EQUIPOS......................................................................... 2.3 CÁLCULO DE LA DEMANDA DE VAPOR................................................................ 2.3.1 DEMANDA DE VAPOR NOMINAL POR EQUIPO............................................... 2.3.2 DEMANDA DE VAPOR NOMINAL POR ÁREA................................................... 2.3.3 DEMANDA DE VAPOR NOMINAL Y TIEMPO DE OPERACIÓN POR ÁREAS.. 2.3.3.1 DEMANDA DE VAPOR EN COCINA.............................................................. 2.3.3.2 DEMANDA DE VAPOR EN FÁBRICA DE SUERO......................................... 2.3.3.3 DEMANDA DE VAPOR EN LAVANDERÍA.................................................... 2.3.3.4 DEMANDA DE VAPOR EN CENTRAL DE EQUIPOS................................... 2.3.4 CÁLCULO DEMANDA REAL DE VAPOR............................................................ 2.3.4.1 DEMANDA REAL EN COCINA....................................................................... 2.3.4.2 DEMANDA REAL DE FÁBRICA DE SUERO.................................................. 2.3.4.3 DEMANDA REAL DE LAVANDERÍA............................................................. 2.3.3.4 DEMANDA REAL DE CENTRAL DE EQUIPOS............................................ 2.4 TIEMPO CRÍTICO DE DEMANDA DE VAPOR REAL............................................. 2.5 DETERMINACIÓN DE VAPOR GENERADO (RENDIMIENTO DE LA CALDERA)............................................................................................................... 2.5.1 AGUA DE REPOSICIÓN EN CALDERA............................................................. 2.6 CÁLCULO EFICIENCIA CALDERA.......................................................................... 2.7 ANALÍSIS GASES DE COMBUSTIÓN DE CALDERAS........................................... 2.8 COSTO DE PRODUCCIÓN DE VAPOR................................................................... 2.9 DETERMINACIÓN DE PÉRDIDAS POR FUGAS..................................................... 2.10 PÉRDIDAS EN TUBERÍAS..................................................................................... 2.11 IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES DE AHORRO ENERGÉTICO.............. 2.12 RECURSO HUMANO Y SU COMPETENCIA EN EL ÁREA DE VAPOR............... 2.13 PRESUPUESTO ASIGNADO AL DEPARTAMENTO DE MANTENIMIENTO........ 71 71 71 75 75 75 78 79 81 82 82 83 85 88 93 95 96 97 98 99 99 102 105 105 106 108 113 117 119 120 121 CAPÍTULO III: PROPUESTA TÉCNICA 3.0 PROPUESTA DE MEJORAS AL SISTEMA DE VAPOR ACTUAL RECOMENDACIONES DE AHORRO....................................................................... 3.1 ELIMINACIÓN DE TRAMOS Y REDISTRIBUCIÓN DE TUBERÍA........................... 3.1.1 ELIMINACIÓN DE TRAMOS DE TUBERÍA......................................................... 3.1.2 REDISTRIBUCIÓN............................................................................................... 3.1.3 DIMENSIONAMIENTO PROPUESTO PARA LA RED DE TUBERÍAS DE VAPOR.................................................................................................................. 3.1.3.1 DIMENSIONAMIENTO DE TUBERÍAS POR ÁREAS..................................... 3.1.3.2 CAÍDAS DE PRESIÓN EN LÍNEAS DE VAPOR............................................. 3.2 PROPUESTA DE SELECCIÓN Y UBICACIÓN DE TRAMPAS DE VAPOR............ 3.2.2 PROPUESTA DE DIMENSIONAMIENTO TUBERÍA RETORNO DE CONDENSADO................................................................................................... 3.3 PROPUESTA DE AISLAMIENTO TÉRMICO PARA LÍNEAS DE VAPOR Y RETORNO DE CONDENSADO................................................................................ 3.3.1 LÍNEAS DE VAPOR............................................................................................. 3.3.2 LÍNEAS DE CONDENSADO…............................................................................ 3.4 SOPORTES............................................................................................................... 3.5 PROPUESTA DE INSTALACIÓN DE NUEVOS EQUIPOS EN EL ÁREA DE LAVANDERÍA............................................................................................................ 3.5.1 DEMANDA TEÓRICA DE VAPOR DEL SISTEMA.............................................. 3.6 PROPUESTA DE SELECCIÓN DE MATERIAL Y MONTAJE DE TUBERÍA PARA DISTRIBUCIÓN DE VAPOR Y RETORNO DE CONDENSADO.............................. 3.7 COMPARACIÓN ENERGETICA DE LOS DOS SISTEMAS (ACTUAL Y PROPUESTO)…................................................................................... 3.8 CONCLUSIONES DE PROPUESTA TECNICA........................................................ CAPÍTULO IV: PROPUESTA ECONÓMICA 4.0 PROPUESTA ECONÓMICA..................................................................................... 4.1 COSTOS DEL PROYECTO...................................................................................... 4.1.1 COSTO DE EQUIPOS Y ACCESORIOS…......................................................... 4.1.2 COSTO DE MANO DE OBRA.............................................................................. 4.1.3 COSTO DE EQUIPO…........................................................................................ 123 124 124 125 126 127 131 131 140 142 144 146 148 150 153 155 156 158 160 161 161 163 166 4.1.4 COSTO TOTAL.................................................................................................... 4.2 FINANCIAMIENTO DE LA INVERSION.................................................................... 4.2.1 AMORTIZACION….............................................................................................. 4.2.2 DEPRECIACIÒN DE EQUIPOS…....................................................................... 4.3 INGRESOS ESTIMADOS......................................................................................... 4.3.1 COSTOS DE OPERACIÓN.................................................................................. 4.4 FLUJO DE FONDOS................................................................................................. 4.5 CONCLUSIONES DEL ANALISIS FINANCIERO….................................................. 4.6 IMPACTO DEL PROYECTO..................................................................................... CONCLUSIONES............................................................................................................ BIBLIOGRAFIA................................................................................................................ GLOSARIO...................................................................................................................... ANEXOS.......................................................................................................................... 166 167 167 168 170 170 170 172 173 174 176 178 180 INDICE DE TABLAS Tabla 1.1. Punto de ebullición del agua a Diferentes Presiones........................ Tabla. 2.1 Longitudes de tubería de vapor........................................................ Tabla 2.2. Válvulas del sistema de vapor........................................................... Tabla 2.3 Accesorios del Sistema de vapor....................................................... Tabla 2.4 Costo anual de tratamiento de agua.................................................. Tabla 2.5. Vida promedio de equipo.................................................................. Tabla 2.6. Demanda de vapor nominal por equipos......................................... Tabla 2.7. Demanda de vapor nominal por área................................................ Tabla 2.8. Demanda de vapor nominal en área de cocina................................ Tabla 2.9. Demanda de vapor nominal por equipo en función del tiempo......... Tabla 2.10. Equipos y demanda de vapor nominal en de fábrica de suero....... Tabla 2.11. Demanda de vapor nominal por equipo en función del tiempo....... Tabla 2.12. Capacidades y demanda de vapor nominal de lavadoras.............. Tabla 2.13. Equipo de secado............................................................................ Tabla 2.14. Porcentajes de ropa secada en cada equipo.................................. Tabla 2.15. Planchado....................................................................................... Tabla 2.16. Demanda de vapor nominal por equipo en función del tiempo....... Tabla 2.17. Capacidad y demanda de vapor por equipo................................... Tabla 2.18.Demanda de vapor nominal de autoclaves en función del tiempo... Tabla 2.19. Factores de uso por área................................................................ Tabla 2.20. Demanda real de vapor en función del tiempo............................... Tabla 2.21. Demanda real de vapor en función del tiempo............................... Tabla 2.22. Demanda real de vapor en función del tiempo............................... Tabla 2.23. Demanda real de vapor en función del tiempo............................... Tabla 2.24. Demanda real de vapor por área y total del sistema en función del tiempo.................................................................................................................. Tabla 2.25 Análisis gases de combustión caldera 1............................................ Tabla 2.26. Análisis gases de combustión caldera 2........................................... Tabla 2.27. Costo de vapor por energía eléctrica................................................ Tabla 2.28. Costo de tratamiento químico........................................................... 37 73 74 74 76 78 81 82 83 84 85 86 88 89 89 90 91 93 94 95 96 97 98 99 100 107 107 111 112 Tabla 2.29. Costo de vapor producido en un día............................................... Tabla 2.30. Fugas en el sistema de vapor......................................................... Tabla 2.31. Costo anual de fugas...................................................................... Tabla 2.32. Características de tubería sin aislamiento...................................... Tabla 2.33 Presupuesto asignado al Departamento de Mantenimiento............ Tabla 3.1. Tramos a eliminar.............................................................................. Tabla 3.2. Reducción de longitudes................................................................... Tabla 3.3 Demanda de vapor nominal en lavandería........................................ Tabla 3.4 Demanda de vapor nominal en cocina............................................... Tabla 3.5 Demanda de vapor nominal en central de equipos y fabrica de sueros................................................................................................................. Tabla 3.6. Diámetros de tubería de vapor por áreas.......................................... Tabla 3.7 Caídas de presión en tuberías de vapor............................................ Tabla 3.7. Longitudes a trampear...................................................................... Tabla 3.8. Resumen de trampas de vapor......................................................... Tabla 3.9 Capacidad de líneas de retorno de condensado a 82.02 ft/s (25m/s)............................................................................................................... Tabla 3.10. Diámetros de líneas de retorno de condensado de equipo y estaciones de trampeo....................................................................................... Tabla 3.11. Resumen de pérdidas de calor en tuberías aisladas...................... Tabla 3.12 Aislante térmico para líneas de retorno de condensado.................. Tabla 3.13 Soportes recomendados para tubería.............................................. Tabla 3.14 Soportes recomendados y expansión térmica por tramos de tubería................................................................................................................ Tabla 3.15. Capacidades y demanda de vapor nominal de lavadoras.............. Tabla 3.16. Equipo de secado............................................................................ Tabla 3.17 Demanda de vapor teórica del sistema............................................ Tabla 3.18.Tramos de tuberías de vapor a cambiar.......................................... Tabla 3.19. Comparación cuantitativa de situación actual y propuesta de mejora................................................................................................................ Tabla 3.20. Comparación cualitativa de situación actual y propuesta de mejora................................................................................................................ 113 114 115 117 121 125 125 127 128 129 130 131 133 139 141 142 145 147 148 149 150 151 153 156 156 157 Tabla 4.1 Costo de accesorios........................................................................... Tabla 4.2 Costo de mano de obra...................................................................... Tabla 4.3 Costo de equipo a instalar.................................................................. Tabla 4.4 Costo del proyecto............................................................................. Tabla 4.5 Amortización del proyecto.................................................................. Tabla 4.6 Depreciación de secadoras................................................................ Tabla 4.7 Depreciación de lavadoras................................................................. Tabla 4.8 Depreciación total de equipos............................................................ Tabla 4.9 Ingresos proyectados......................................................................... Tabla 4.10 Flujo de fondos................................................................................. 162 166 166 166 167 168 169 169 170 172 INDICE DE GRAFICAS Gráfica 2.1. Demanda de vapor nominal vrs. Tiempo en el área de cocina...... Gráfico 2.2. Demanda de vapor nominal vrs. Tiempo de uso del equipo.......... Grafica 2.3 Demanda de vapor nominal en lavandería...................................... Gráfica 2.4. . Demanda de vapor nominal vrs tiempo de uso en el área de central de equipos.............................................................................................. Gráfica 2.5. Tiempo crítico de demanda de vapor real...................................... Grafico 2.6. Costo anual de energía por fugas de vapor................................... Gráfica 3.1 Demanda de vapor teórica del sistema vrs. tiempo de uso............. 85 87 92 95 101 116 154 i INTRODUCCION El presente documento de tesis trata sobre la identificación de oportunidades de ahorro energético en el sistema de vapor del Hospital Nacional Rosales, en cuya institución este tiene un papel de mucha importancia, pues al presentarse problemas en este sistema se ven afectadas prácticamente todas las actividades de este importante nosocomio de la red nacional, que posee categoría de nivel tres. El sistema de vapor del Hospital Rosales presenta una serie de oportunidades potenciales de ahorro energético, que al ser reducidas se demuestra llegan a representar un considerable beneficio económico. El documento se divide en cuatro capítulos, estructurados de forma secuencial, en el primero se definen aspectos generales de los sistemas de vapor como: formación de vapor, variables de estado, comportamiento de vapor en tuberías, elementos constitutivos de los sistemas de vapor y distribución. En el segundo se presenta el análisis y las oportunidades de ahorro energético, se presenta la cuantificación de las áreas y equipos que utilizan vapor, así como las horas del día en que se requiere el recurso, determinando de este modo las horas criticas de demanda, se calculan además la cantidad de energía térmica perdida por diferentes causas como: fugas, perdidas por radiación y tuberías innecesarias, finalmente se presenta un consolidado de perdida de energía, estableciendo su equivalencia en términos económicos. El tercer capitulo trata sobre la propuesta de mejoras, para el aprovechamiento del vapor, retomando las oportunidades establecidas en el capitulo dos y desarrollando cada una ellas se determinan: material de tuberías, nuevos diámetros, caídas de presión, sistema de retorno de condensado, selección de aislamiento térmico, redistribución de red, supresión de tramos de tubería e instalación de nuevo equipo en lavandería, que reduce el tiempo de operación del sistema, obteniéndose un cuadro de comparación entre el sistema actual y el propuesto. El ultimo capitulo presenta el análisis de factibilidad económica, para la puesta en marcha de las propuestas planteadas, para ello se estima el monto de la inversión, tomando en consideración costos de mano de obra, compra de equipos y accesorios. En los cálculos se establece ii que la vía de adquisición del monto de la inversión, se efectúa con fondos propios de la institución en un 40% y el restante 60% por medio de financiamiento. El parámetro de rentabilidad se establece por comparación de la TIR y TMAR, de la cual se realizan las conclusiones correspondientes. iii OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL o Identificar y cuantificar las oportunidades de ahorro energético para reducir los costos de producción, distribución y consumo de vapor en el sistema del Hospital Rosales. OBJETIVOS ESPECIFICOS o Realizar una evaluación de las condiciones energéticas actuales en la red de vapor del Hospital Rosales. o Cuantificar las pérdidas de energía que se identifiquen en la producción, distribución y consumo de vapor. o Elaborar una propuesta de mejora para las condiciones actuales de toda la red de vapor. o Elaborar un estudio de inversión para la propuesta, detallando los costos de los productos que se proponen utilizar. o Establecer una comparación energética y económica entre los dos sistemas, el actual y el propuesto. 3 CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO 4 1.1. CONCEPTOS TERMODINÁMICOS 1.1.1 ENERGÍA El término de energía en forma general no se puede definir, sin embargo, la energía es inherente a la materia y se pueden medir sus manifestaciones, existen varias formas de energía: química, térmica, mecánica, potencial, eléctrica, etc. 1.1.2 CALOR Es una manifestación de la energía térmica (Energía cinética y Potencial). El movimiento vibratorio de las moléculas de los cuerpos da lugar a varios fenómenos, uno de ellos es el calor. Este se manifiesta en un cuerpo por un aumento de temperatura, debido a la mayor rapidez del movimiento vibratorio de sus moléculas. El calor es causa de sensaciones apreciables en nuestro sistema. Sensaciones que en el lenguaje cotidiano se llama frío y calor, siendo estas distintas representaciones de un mismo fenómeno de energía que se llama calor. El calor siendo una forma de energía se mide en unidades térmicas. La unidad térmica más importante es la unidad térmica británica (B.T.U). 1.1.2.1 TRANSMISIÓN DEL CALOR El calor es energía en tránsito, debido a diferencia de temperaturas, se puede transmitir a través de los siguientes mecanismos: radiación, conducción, convección o una combinación de los anteriores. 1.1.2.1.1 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN Cuando en un cuerpo existe un gradiente de temperatura, hay una transferencia de energía desde la región a mayor temperatura hacia la región de menor temperatura. Se dice que la energía se ha transferido por conducción y que el flujo de calor por unidad de área es proporcional al gradiente normal de temperatura. La ecuación que describe el comportamiento de la transferencia de calor por conducción se le conoce con el nombre de ecuación de Fourier: 5 Ecuación de Fourier: q = -k A T/ X (Ec. 1.1) Donde: q: Flujo de calor (BTU/h). k : Conductividad térmica del material (BTU/ h ft ºF). A: Área de contacto entre los cuerpos (ft2). T/ X: Gradiente de temperatura en la dirección de calor (ºF) El signo negativo se coloca para satisfacer la segunda ley de la termodinámica, que establece la dirección de los procesos, donde el calor debe fluir hacia las temperaturas decrecientes. 1.1.2.1.2 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN Mecanismo de transferencia de calor entre paredes relativamente calientes y frías de un fluído por medio de mezcla. Supóngase que un recipiente con un líquido se coloca sobre una llama caliente. El líquido en el fondo del recipiente se calienta y se vuelve menos denso, debido a su expansión térmica. El líquido adyacente al fondo también es menos denso que la porción más fría y asciende a través de ella, transmitiendo su calor por medio de mezcla conforme asciende. La transferencia de calor del líquido caliente del fondo del recipiente al resto es convección natural o convección libre. Si se produce cualquier otra agitación, tal como la provocada por un agitador, el proceso es de convección forzada. Este tipo de transferencia de calor puede ser descrito por la ecuación de la ley de enfriamiento de Newton: q = h A T (Ec. 1.2) 6 Donde: q: Calor (BTU/h). h: Coeficiente de transferencia de calor (BTU/ h. ft2 ). A: Superficie de transferencia de calor (in2). T: Temperatura (ºF). La constante de proporcionalidad ¨h¨ es un término sobre el cual tiene influencia la naturaleza del fluído y la forma de agitación. 1.1.2.1.3 TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN La radiación involucra la transferencia de energía radiante desde una fuente a un receptor. Cuando la radiación se emite, parte de la energía se absorbe por el receptor y la restante es reflejada. La velocidad con que una fuente emite calor está establecida por la ecuación de Boltzmann: q = A T4 (Ec. 1.3) Donde: q: Flujo de calor (BTU/h) A: área de la superficie emisora (ft2). T: Temperatura absoluta (R). : Constante de Stefan Boltzmann (0.1714x10-8 BTU/h ft2 R4) : Emisividad. 1.1.3 CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA La materia se encuentra en la naturaleza en tres estados: Sólido, líquido y gaseoso, sin embargo una sustancia puede cambiar su estado, al modificar sus variables, de presión y temperatura o incluso coexistir en los tres estados bajo condiciones especificas, de lo dicho anteriormente se puede concluir que la materia puede existir 7 en cualquiera de los tres estados al alterar sobre ella sus variables de estado. Los procesos de cambio de fase reciben nombres específicos, se clasifican en dos grupos atendiendo si en el proceso de transformación, se absorbe o desprende energía. Los procesos que absorben energía se denominan endotérmicos: fusión, evaporación y sublimación. Los que desprenden o ceden energía se denotan exotérmicos: condensación, solidificación y sublimación inversa. 1.1.3.1 LICUEFACCIÓN O FUSIÓN El calor tiende a separar más las moléculas de los cuerpos. La cohesión es una fuerza que mantiene unidas las moléculas de la materia en un mismo cuerpo. Si en éste predomina la cohesión sobre la fuerza que por efecto del calor tiende a separar las moléculas, resulta la forma sólida. Pero si el calor vence y desaparece la cohesión, el cuerpo pasa del estado sólido al líquido, o se verifica la fusión o licuefacción del cuerpo sólido. La temperatura de la sustancia sometida al calor permanece constante desde el comienzo de la fusión hasta que se alcanza la transformación total del estado sólido al líquido, es conocida como temperatura de fusión . En el proceso de fusión se cumple lo siguiente: 1. Todo cuerpo sólido empieza a fundirse a cierta temperatura, y esta no varía, para una misma sustancia dada, si la presión a que está sometido el cuerpo permanece constante. 2. Si el mismo cuerpo fundido se deja enfriar, se solidifica cuando llega a tener la misma temperatura a la cual empezó a fundirse. El agua pasa del estado líquido al sólido a los 32 ºF (0º C), si se encuentra a la presión de una atmósfera. 8 1.1.3.2 EBULLICIÓN Se llama a si al fenómeno físico que tiene lugar en la masa de un líquido de manera que el líquido pasa al estado de vapor. Si se coloca un recipiente conteniendo agua sobre una fuente de calor, aumenta progresivamente la temperatura. Al principio el aire que contiene el agua es lanzado fuera en forma de pequeñas burbujas que llegan a la superficie libre del agua. Después las moléculas de agua en contacto con el fondo del recipiente adquieren mayor temperatura, el calor vence en ellas la fuerza de cohesión y la presión y se elevan a través del agua, desapareciendo en la masa líquida por condensarse otra vez al contacto con las más frías. Al incrementarse la temperatura, las burbujas aumentan en número y tamaño, rompiendo la superficie libre del agua y desapareciendo en la atmósfera. Toda la masa del líquido se agita y disminuye al convertirse en vapor. El vapor arrastra pequeñas partículas de líquido, resultando vapor húmedo. También en determinadas circunstancias se condensa parte del vapor, formando pequeñas partículas líquidas que se mantienen envueltas en el vapor mismo. En el proceso de ebullición se cumple lo siguiente: • Todo el líquido empieza a ebullir a determinada temperatura, que permanece invariable hasta que el líquido queda completamente vaporizado, considerando que la presión permanece constante. • Si el vapor de un líquido se deja enfriar, se condensa cuando llega a una temperatura igual a la que produjo el cambio de fase. • La temperatura es directamente proporcional a la presión (T P). 1.1.3.3 EVAPORACIÓN Se conoce así al cambio de estado líquido a gaseoso y que tiene lugar en la superficie libre del líquido. La evaporación será mayor cuando la superficie libre del líquido que evapora sea más grande Si la presión sobre la superficie del líquido aumenta, la evaporación disminuye y por 9 consiguiente aumenta la evaporación con menor presión sobre la superficie de evaporación o superficie libre del líquido. Si la atmósfera que pesa sobre la superficie libre del líquido está cargada de vapor (agua), la evaporación es menor que si la atmósfera está seca o menos cargada de humedad. Sobre una superficie de líquido al aire libre, la evaporación aumenta si el aire se renueva. 1.1.3.4 VAPORIZACIÓN Si un cuerpo en estado líquido se somete a un aumento de temperatura, hasta llegar a su temperatura de saturación este se convierte en gas. Durante el cambio de estado la temperatura del líquido permanece constante, si la presión que experimenta no varía. Por efecto del calor es vencida la fuerza de cohesión y la presión que mantiene al cuerpo en estado líquido y el cuerpo pasa al estado gaseoso. Este fenómeno físico o paso de los cuerpos de estado líquido a gaseoso por efecto del calor, se llama vaporización. 1.1.4 PROPIEDADES TÉRMICAS DE LA MATERIA 1.1.4.1 CAPACIDAD TÉRMICA (C) Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un cuerpo desde T a T1. 1.1.4.2 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (K) Es una propiedad de transporte que proporciona una medida de la velocidad a la que se transfiere energía mediante el proceso de difusión, y depende de la estructura física de la materia atómica y molecular, que se relaciona con su estado físico. 1.1.4.3 CAPACIDAD CALORÍFICA (CP): Cantidad de energía necesaria para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de sustancia. 10 1.1.4.4 CAPACIDAD TÉRMICA VOLUMÉTRICA (Cv) Mide la capacidad de un material para almacenar energía térmica y es igual al producto de la densidad por la capacidad calorífica. 1.1.4.5 DIFUSIVIDAD TÉRMICA ( ) Mide la capacidad de un material para conducir energía térmica en relación con su capacidad para almacenar energía térmica y se define como la relación entre la conductividad y la capacidad térmica volumétrica. Materiales de pequeño responden lentamente a los cambios térmicos en su medio y tardan más en alcanzar una nueva condición de equilibrio en comparación con los materiales de grandes. 1.1.4.6 CALOR ESPECÍFICO Es el calor necesario para elevar la temperatura de la unidad de peso de la sustancia un grado y la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura del mismo peso de agua un grado de temperatura. 1.1.4.7 CALOR LATENTE Puede definirse como el calor que debe transmitirse a un cuerpo en un estado determinado para que pase a otro estado sin alterar su temperatura. 1.1.4.7.1 CALOR LATENTE DE FUSIÓN Cuando un cuerpo pasa de estado sólido a líquido, su temperatura permanece casi invariable, a cierto punto de fusión, durante toda la operación en que se verifica la fusión una cantidad de calor tiene que ser suministrada al cuerpo en estado de licuefacción necesitando cierta cantidad de calor por unidad de peso, se llama calor latente de fusión. Durante el proceso de solidificación una cantidad igual a la del calor latente de fusión es cedida por el cuerpo, cuyo calor pasa a la atmósfera o a otros cuerpos que se encuentren a su alrededor. 11 1.1.4.7.2 CALOR LATENTE DE EVAPORACIÓN Cuando un cuerpo pasa del estado líquido al estado gaseoso, su temperatura permanece casi invariable a cierto punto de ebullición, dependiendo de la presión; para que la evaporación se produzca, una cantidad de calor tiene que ser suministrada a la sustancia. Este calor no eleva la temperatura de la sustancia; pero provoca la transformación al estado gaseoso, y es llamado calor latente de evaporación. Cuando un cuerpo pasa del estado gaseoso al estado líquido o al estado sólido, su temperatura permanece casi invariable, durante la operación, en el punto de ebullición correspondiente a la presión del vapor; una cantidad de calor igual al calor latente de evaporación en aquella temperatura es cedida por el cuerpo. 1.1.4.7.3 CALOR TOTAL DE EVAPORACIÓN Es la sumatoria del calor sensible y calor latente. Expresado en kcal o BTU. 1.1.4.8 CALOR SENSIBLE Se define como el calor necesario para elevar la temperatura, antes de la evaporación, desde una temperatura inicial a la temperatura de evaporación 1.2.0 VAPOR DE AGUA Es un gas real que no cumple con la ley de los gases ideales, se genera cuando se añade energía calorífica al agua en una caldera. Se necesita añadir suficiente energía para que se eleve la temperatura del agua hasta su punto de ebullición. Después de ello, cualquier energía adicional transforma el agua en vapor, sin un incremento en la temperatura. La cantidad requerida de calor es diferente para cada combinación de presión/ temperatura. 12 1.2.1 VARIABLES DE ESTADO DEL VAPOR 1.2.1.1 TEMPERATURA Temperatura de un cuerpo es un estado con relación a su capacidad para transmitir o recibir calor. La temperatura de un cuerpo indica su estado de calor con relación a otros y no el calor que posee. - Temperatura Relativa: Es la que se obtiene a través de termómetros y se expresa en grados Celsius (°C) y en grados Fahrenheit (°F). - Temperatura Absoluta: Es la relativa más una constante y se mide en grados Kelvin ( K ) y Rankin ( R ). T (°K) = T (°C) + 273 T (°R) = T (°F) + 460 1.2.1.2 PRESIÓN Es la fuerza ejercida sobre la unidad de superficie. P = F / A (Ec. 1.4) Donde: P : Presión (lb/in2) F: Fuerza (lb) A: Área (in2) -Presión Absoluta: Es la presión medida con respecto al vacío perfecto. -Presión Relativa o Manométrica: Es la presión medida con respecto a la presión atmosférica, la cual es igual a 1.01 bar absoluta. Presión Relativa más 1.01 bar es igual a la Presión Absoluta. Igualmente, Presión Absoluta menos 1.01 bar es igual a la Presión Relativa. 13 1.2.1.3 ENTALPÍA Es la unidad de medida de la energía térmica de los fluídos. La entalpía puede ser entalpía absoluta o específica. 1.2.1.3.1 ENTALPÍA ABSOLUTA (H) Es el calor total de un fluído y se denota por la letra y su unidad de medida es el BTU o kcal. 1.2.1.3.2 ENTALPÍA ESPECÍFICA (h) Es el calor de un fluido por unidad de masa y se denota por la letra y su unidad de medida es BTU / lbm o kcal / kg. 1.2.1.3.3 ENTALPÍA DEL LÍQUIDO (hf) Es la cantidad de energía en BTU o kcal necesario para elevar la unidad de medida de masa de agua desde una temperatura de 32 °F (0 °C) hasta su temperatura de ebullición, a una presión determinada. Se denota con las letras hf . 1.2.1.3.4 ENTALPÍA DE VAPORIZACIÓN (hfg) Es la cantidad de energía medida en BTU o kcal necesaria para convertir la unidad de medida de masa de agua a vapor seco, a la misma temperatura y presión. Se denota por hfg . 1.2.1.3.5 ENTALPÍA DE VAPOR (hg) Es la suma de las entalpías de líquido saturado y la entalpía de vapor seco. Se denota por hg . Sus unidades son BTU / lbm o kcal / kg. 1.2.1.4 CALOR TOTAL DEL VAPOR Es el calor total en vapor arriba de 0°C. Es igual a la suma del Calor del Líquido Saturado y el Calor Latente, expresado en BTU / lbm o kcal / kg. 14 1.2.1.5 ENTROPÍA Es una medida del orden molecular. Un cambio en la entropía corresponde a un cambio en el orden molecular, u organización de un sistema. Si la entropía aumenta, las moléculas se mueven con libertad, por ejemplo cuando un solidó se funde para pasar a líquido, o cuando un líquido se evapora para pasar a gas. 1.2.1.6 CALIDAD DEL VAPOR En la práctica, el vapor suele llevar pequeñas gotitas de agua y no es totalmente vapor saturado seco, este se denota como vapor húmedo . Si se sigue aportando calor después de haber evaporado toda el agua, la temperatura del vapor volverá a elevarse. A este se le llama vapor recalentado . La calidad del vapor se define por su porcentaje de vapor seco. La proporción de vapor completamente seco presente en la muestra bajo consideración. Si se dice que el porcentaje de vapor seco es de 0.95, el 95% de su masa será vapor saturado seco y el 5% será agua. La calidad se determina mediante la siguiente ecuación: X = 100x hh hh fg fx − − (Ec.1.5) Donde: x: Calidad hf: Entalpía de liquido saturado ( BTU / lbm ) hg: Entalpía de vaporización ( BTU / lbm ) hx: Entalpía de la mezcla ( BTU / lbm ) 1.2.2 TABLAS DE VAPOR Las tablas de vapor muestran propiedades del vapor saturado seco. Se trata de agua que ha sido completamente evaporada y convertida en vapor, sin que contenga gotas de agua líquida. 15 1.2.2.1 CONCEPTOS UTILIZADOS PARA EL USO DE LAS TABLAS DE VAPOR Vapor Saturado Es vapor seco a una temperatura igual a la temperatura a que ebulle el agua a una presión dada. Volumen Específico de Líquido Es el volumen por unidad de masa y se expresa en metros cúbicos por kilogramo (m3/kg). Volumen Específico de Vapor Es el volumen por unidad de masa y se expresa en metros cúbicos por kilogramo (m3/kg). 1.2.2.2 DIAGRAMA DE MOLLIER Un diagrama de Mollier de vapor, es otra manera de registrar las propiedades del vapor y condensado bajo varias condiciones. Éste muestra las propiedades del vapor y condensado bajo cualquier condición especifica o estado. Si los puntos de estado inicial y final de un proceso son conocidos, una línea que una estos puntos de estado puede representar esa parte del proceso. Características del diagrama de Mollier: Valores de entalpía específica (h) y entropía específica (s) trazados en los ejes del diagrama. Una línea de saturación de vapor divide el gráfico en la región de vapor recalentado y la región de vapor húmedo. La línea representa el vapor saturado seco. El porcentaje de vapor seco (x) en la zona húmeda del diagrama. Líneas de presión constante (p), por tanto en la zona seca como húmeda del diagrama. Línea de temperatura constante (t) en la región de recalentado. En la zona húmeda, las líneas de presión y temperatura son paralelas. 16 E nt al pí a es pe cí fic a h K J / K g Entropía específica ¨s¨, KJ / Kg °K Figura 1.1. Diagrama de Mollier. 17 1.2.3 FLUÍDOS EN TUBERÍAS Los factores que afectan el flujo de un fluído en una tubería incluyen: § Velocidad del fluído (velocidad media). § Viscosidad del fluído. § Densidad del fluído. § Rozamiento del fluído con las paredes de tubería. En condiciones ideales, donde se pueden despreciar la viscosidad y el rozamiento, el perfil de flujo en la tubería es uniforme, es decir en todos los puntos de una sección transversal de tubería la velocidad es la misma. Figura 1.2 Figura 1.2 En condiciones reales, la viscosidad afecta al caudal, el flujo cerca de la superficie de la tubería es menor que en el centro de la misma. La velocidad del flujo describe una forma convexa. Figura 1.3 Figura 1.3 La ecuación de Reynolds tiene en cuenta todos los factores que afectan el flujo y genera un factor que expresa la relación entre las fuerzas dinámicas y las de viscosidad. 18 Ecuación de Reynolds: Re = Vd D / (Ec. 1.6) Donde: = Densidad (lbm/ft3) Vd = Velocidad media del fluido (ft/s) D = Diámetro interior de la tubería (ft) = Viscosidad dinámica (lbm/ft*s) El número de Reynolds establece una razón entre la fuerza dinámica y la fuerza de viscosidad. Re = fuerza dinámica / fuerza de viscosidad. Por tanto es un número adimensional. Las fuerzas de viscosidad reducen la velocidad en las paredes de la tubería y la velocidad mayor se encuentra en el centro de la misma. El perfil de velocidad es de forma parabólica. Figura 1.4 Los flujos laminares se obtienen normalmente con números de Reynolds menores a 2000 Figura 1.4. Flujo con comportamiento parabólico Para números de Reynolds mayores de 2000, es decir a velocidades altas o viscosidades bajas, el flujo se convierte en turbulento. En el caso del vapor los números de Reynolds son superiores a 2000, por lo tanto se esta en presencia de un flujo turbulento. Fig. 1.5 19 Figura 1.5 Flujo en régimen turbulento 1.2.3.1 EL VAPOR COMO FLUÍDO Generalmente el vapor se considera como un fluído en dos fases, ya que puede existir como gas (vapor) y líquido (agua) de forma simultanea en su estado de vapor saturado. El vapor sobrecalentado puede tratarse como un verdadero gas, por que se ha evaporado toda la humedad. Casi todo el vapor que se utiliza para procesos industriales es vapor saturado. Al flujo en las tuberías con dos fases se le conoce como régimen. Se establecen cuatro tipos de regímenes: Flujo con olas. Su característica es que se alterna el vapor y el agua. Las olas viajan a la misma velocidad que el vapor y es perjudicial para cualquier tipo de medidor de vapor. Los golpes de ariete, dañan cualquier válvula o accesorio que se encuentre en la tubería de distribución. Figura 1.6 Figura 1.6. Flujo con olas 20 Flujo anular. Consiste en una película de agua anular alrededor de la pared de la tubería con el centro de vapor. El centro de vapor se mueve a una velocidad superior a la película de agua. En una tubería horizontal, la película de agua en la parte inferior será generalmente más gruesa que la de la parte superior debido al efecto de la gravedad. Figura 1.7 Figura 1.7.Flujo anular Flujo anular disperso Es el comportamiento más común del flujo de vapor húmedo, es similar al flujo anular solo que también contiene humedad arrastrada en forma de una suspensión de gotas líquidas. El purgado adecuado del vapor ayuda a reducir la película anular de agua, para que el vapor esté lo más seco posible. Figura 1.8 Figura 1.8. Flujo anular disperso Flujo disperso Consiste en un flujo de vapor que arrastra pequeñas gotas de agua dispersas en el flujo, es el resultado del flujo anular disperso, después de haber sido filtrado y purgado por los accesorios del sistema. Figura 1.9 21 Figura 1.9. Flujo disperso 1.2.3.2 EL VAPOR COMO MEDIO DE TRANSPORTE DE ENERGÍA El calor fluye de un punto a alta temperatura a un punto a temperatura menor, esto es lo que se conoce como transferencia de calor. Empezando en la cámara de combustión de la caldera, el calor fluye a través de la pared de los tubos de la caldera hasta el agua. Cuando la presión más alta de la caldera empuja el vapor hacia afuera de la caldera, los tubos de distribución se calientan. Entonces el calor fluye, a través de la pared de los tubos, hacia el aire a temperatura menor alrededor de la tubería. Esta transferencia de calor transforma una cierta cantidad de vapor en agua nuevamente (condensado); esta es la razón por que las tuberías de distribución están aisladas, ya que así se minimiza el desperdicio de energía de esta transferencia de calor indeseable. La historia es diferente cuando el calor llega a los intercambiadores de calor del sistema. En este caso se desea la transferencia de calor del vapor. El calor fluye hacia el aire en un calentador de aire o hacia el agua en un calentador de agua, o a los alimentos en una olla de cocido. Nada debe de interferir con esta transferencia de calor. 1.3 GENERADOR DE VAPOR El generador de vapor es la parte más importante en el sistema de vapor, por ser donde se genera. Puede definirse como un recipiente en el que se transfiere la energía calorífica de un combustible a un líquido. En el caso de vapor saturado la 22 caldera proporciona también energía calorífica para producir un cambio de la fase de líquido a vapor. Un generador es a menudo el equipo más grande que se encuentra en un sistema de vapor. Su tamaño puede depender de la aplicación en la que se usa. En un sistema grande, donde existen cargas de vapor variables, puede utilizarse varios generadores de vapor. 1.3.1 COMPONENTES DE UN GENERADOR DE VAPOR Caldera: Es la parte del generador de vapor donde se inyecta el combustible y se genera el vapor saturado. Precalentador de aire: Es el componente del generador de vapor que precalienta el aire secundario antes de entrar al hogar de la caldera, aprovechando sus gases de combustión su instalación es después del economizador. Economizador: Es la parte del generador de vapor que aprovecha el calor de los gases de combustión para precalentar el agua de alimentación que se inyectará a la caldera. Su instalación es después del sobrecalentador y del recalentador de vapor. Sobrecalentador de vapor: Componente que permite elevar la temperatura del vapor saturado que produce la caldera. Su instalación es a la salida de vapor de la caldera. Recalentador de vapor: Permite elevar la temperatura del vapor residual de un proceso y a una presión menor. Su instalación es posterior al sobrecalentador de vapor. 23 Hogares Un hogar es una cámara donde se efectúa la combustión. La cámara confina el producto de la combustión y puede resistir las altas temperaturas que se presentan y las presiones que se utilizan. Sus dimensiones y geometría se adaptan a la velocidad de liberación del calor, el tipo de combustible y al método de combustión, de tal manera que se haga lo posible por tener una combustión completa. Los hogares enfriados por agua se utilizan con la mayor parte de unidades de calderas, es decir en su gran mayoría, y para todos los tipos de combustible y métodos de combustión. El enfriamiento por agua de las paredes del hogar reduce la transferencia de calor hacia los elementos estructurales y en consecuencia, puede limitarse su temperatura a satisfacer los requisitos de resistencia mecánica y resistencia a la oxidación. Las construcciones de tubos enfriados por agua facilitan el logro de grandes dimensiones del hogar y optimas de techos, tolvas, arcos y montajes de los quemadores, así como el uso de pantallas tubulares, planchas o paredes divisoras, para aumentar la superficie absorbente del calor en la zona de combustión. El uso de hogares con enfriamiento por agua reduce las pérdidas de calor al exterior. Las superficies absorbentes del calor en el Hogar, lo reciben de los productos de combustión, en consecuencia, contribuyen directamente a la generación de vapor, bajando al mismo tiempo la temperatura de los gases que salen del mismo. Los principales mecanismos de transferencia de calor se efectúan en forma simultánea. Estos mecanismos incluyen la radiación entre sólidos que proviene del lecho de combustible o de las partículas de combustible, la radiación no luminosa de los productos de la combustión, la transferencia de calor por convección de los gases del hogar y la conducción de calor a través de los materiales metálicos de los depósitos y tubos. La eficacia de la absorción de las superficies del hogar es influida por los depósitos de ceniza o escoria. 24 Los hornos difieren en tamaño y forma, en la localización y esparcimiento de los quemadores, en la disposición de la superficie absorbente del calor y de la distribución de los arcos y tolvas. La forma de la llama y su longitud afectan la geometría de la radiación, la velocidad y distribución de absorción del calor por las superficies enfriadas por agua. Las soluciones analíticas de la transferencia de calor en los hogares de las unidades generadoras de vapor son extremadamente complejas, y es muy difícil calcular la temperatura de los gases a la salida del hogar por métodos teóricos. Sin embargo, se debe predecir la temperatura de estos gases en forma precisa, ya que esta temperatura determina el diseño del resto de la unidad de la caldera, en particular del sobrecalentador y del recalentador. Los cálculos deben de basarse en resultados obtenidos en pruebas, complementados por datos acumulados por la experiencia en operación y juicios, basándose en el conocimiento de los principios de la transferencia de calor y de las características de los combustibles y escorias Superficie de calefacción (sc). Es la superficie de metal de la caldera que se encuentra en contacto al mismo tiempo con los gases de combustión y con el agua o vapor. Se mide del lado de los gases en las calderas tubos de fuego y por el lado del agua en las calderas tubos de agua. 1.3.2 CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE VAPOR Las calderas se pueden clasificar de acuerdo a los siguientes aspectos1: § Por el tipo de diseño estructural. § Por aspectos de seguridad. § Por su geometría. § Por el tipo de fuente de energía. § Por el tipo de ventilación para la combustión. § Por el tipo de atomización. § Por la presión de trabajo. § Por el fluído térmico. 1 Anexo 1.1. Clasificación de generadores de vapor. 25 De acuerdo a su diseño estructural, las calderas se pueden clasificar como: calderas de tubos de agua, calderas de tubos de fuego y calderas sin tubos. 1.3.2.1 CALDERAS DE TUBOS DE AGUA También son denominadas como acuatubulares, se definen así por ser el agua el fluído que circula por el interior de los tubos y los gases de combustión se encuentran a su alrededor, figura 1.10. Una caldera acuatubular consta, básicamente, de tambores acumuladores de agua y de tubos por los cuales circula el agua y el vapor, encerrando los contornos de la caldera con paneles de tubo que forman el horno, los tubos a través de los cuales circula el agua y/o vapor tienen distintas características: los tubos que manejan agua-vapor son de acero al carbono, mientras que los tubos que manejan vapor sobrecalentado o recalentado deben ser de una aleación austenítica, por lo que estos tubos son de menor diámetro que los de agua vapor y son llamados tubos de vapor saturado. Figura 1.10. Caldera tubos de agua o acuatubular. Algunas ventajas de las calderas de tubos de agua o acuatubular son: § Que debido al pequeño volumen de agua que contienen y una mayor superficie de calefacción la capacidad de generación de vapor es alta, siendo ideal para cubrir las demandas picos. 26 § Esta caldera es inexplosiva, debido a que es menos crítico que el domo superior quede al descubierto, alguna rotura en domos o en la soldadura de la tubería de agua podría producir fuga de vapor y agua sin que produzca una explosión excesiva debido a que la presión liberada se disipa en todo el volumen de la cámara de combustión. § La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones dependiendo del diseño hasta 350 psi. Las calderas tubos de agua o acuatubulares son de dos tipos: § Tubos Inclinados. § Tubos doblados y paredes de agua. 1.3.2.1.1 DE TUBOS INCLINADOS Las calderas de tubos inclinados están construidas por bancos de tubos en zigzag con una inclinación de 15o a 25o para favorecer la inclinación y propiciar el drenaje libre de lodos, formados como consecuencia de los tratamientos químicos internos del agua en la caldera. Este tipo de caldera fue muy popular en la industria, era utilizada para producir vapor de proceso y ocasionalmente para generar calentamiento en edificios. Su construcción propiciaba rápidos tiempos de arranque y su alta confiabilidad respecto al manejo de los lodos que se generaban la hacían importante en el proceso energético. En la figura 1.11, se muestra un corte seccional de este tipo de caldera Figura 1.11, Caldera de tubos inclinados. 27 Su principal desventaja consistía en su limitada capacidad para una separación adecuada del vapor y del agua y una pobre distribución de la circulación dentro de la caldera. 1.3.2.1.2 DE TUBOS DOBLADOS Y PAREDES DE AGUA Este tipo de diseño ofrece una mayor flexibilidad para lugares donde la altura libre sea limitada, ya que el doblez de la tubería permite una mayor longitud equivalente de calor, que compensa la reducción de la altura. La caldera puede hacerse ancha y baja o puede ser alta y estrecha, en los sitios donde la limitante sea la amplitud. Los principales elementos de una caldera de este tipo son esencialmente los tambores conectados por tubos doblados. Las primeras unidades se construyeron de 4 tambores y aunque era un diseño aceptable se fue mejorando por el de 3 (figura 1.12) y luego por el de 2 tambores. Algunas ventajas de las calderas de tubos doblados sobre las de tipo inclinado: § Respuesta rápida a fluctuaciones de carga. § Gran economía en la construcción y operación. § Mayor accesibilidad para limpieza y mantenimiento. § Producción de un vapor de mejor calidad. Figura 1.12, caldera de tubos doblados y paredes. 28 Cuando se necesitaron calderas de mayor capacidad, se hizo necesario aumentar el tamaño de los hornos, lo que incrementó la temperatura en ellos. Esto trajo como consecuencia un excesivo mantenimiento en el refractario del horno. Dentro de los esfuerzos por producir calderas más eficientes y económicas, se desarrolló un horno virtualmente rodeado por una superficie de transferencia en forma de jaula de tubos o paredes de enfriamiento con agua. Estas paredes, constituidas por bancos o paquetes de tubos se denominaron paredes de agua o de tubos de agua y además de evitar las excesivas temperaturas por ensuciamiento, aumentaron la capacidad de generación. A partir del desarrollo de de este tipo de caldera, los diseños se estandarizaron en tres tipos básicos: calderas tipo A, tipo O y tipo D. Calderas tipo A. Como su forma lo muestra la figura 1.13, constan de un tambor de vapor en la parte superior y dos tambores de lodo, arreglados de forma que se asemejan a una A, con el tambor de vapor en el vértice superior y los tambores de lodo en el fondo, a cada lado. Cada uno de los haces de tubos laterales conforman el horno de la caldera. Este tipo desbalanceaba la llama hacia uno u otro lado dependiendo del estado de circulación natural de cada extremo. Figura 1.13, Caldera tipo A. 29 Calderas tipo O. Constan de un tambor localizado directamente encima del tambor de lodos, pero de manera que ambos se encuentran en el centro de la caldera y los tubos que los unen asemejan una O, figura 1.14. En este tipo el horno es un tubo por el cual, como lo muestra la figura, la llama recorre toda su extensión, propiciando condiciones de limpieza de las tuberías, puesto que los gases avanzan paralelos alas tuberías de convección. Figura 1.14, Caldera tipo O. Calderas tipo D. El tambor de vapor de estas calderas, figura 1.15, está directamente encima del tambor de lodo, pero hacia un lado del horno; una serie de tubos une los tambores verticalmente. Esta es la clásica conformación geométrica para hacer circulación natural. El resto de tubos se extiende horizontalmente desde los tambores de vapor y lodo hasta las paredes del horno, donde se convierten en tubos de pared de agua. Figura 1.15, Caldera tipo D. 30 1.3.2.2 CALDERAS TUBOS DE FUEGO Llamadas también Pirotubulares, este tipo es el más utilizado en la industria para aplicaciones pequeñas, como energía de calor. En estas calderas el fuego o los gases de combustión circula por dentro de los tubos y el fluído frió, el agua, a su alrededor, figura 1.16, siendo esta su principal característica. El calor es transferido desde el interior de los tubos, donde circulan los gases de combustión, hacia el agua a su alrededor. El combustible quemado debajo del recipiente y los gases proyectados y orientados por dentro de los tubos, en el interior del tambor acumulador de agua, hacen un recorrido en uno o más pasos. Este número de pasos define la nominación de la caldera como pirotubular de dos o tres pasos, según las rutas horizontales. El vapor generado en una caldera pirotubular, sale por la parte superior del tambor; la entrada de agua fría de alimentación, está generalmente 2 pulgadas por encima de la hilera de tubos más alta, con el fin de evitar el choque térmico sobre el agua que esta más fría a esa altura. Figura 1.16, Caldera tubo de fuego o pirotubular. 31 Las calderas pirotubulares, debido al volumen de agua que contiene la tubería de fuego se mantiene a baja temperatura relativamente, siendo esto una ventaja. El problema es que dificulta su evaporación para cubrir demandas picos; otro riesgo es el ser del tipo explosiva, debido a que pueden quedar al descubierto la tubería de la parte superior y esto produciría pandeo en la tubería de fuego y deformación del tubo central hasta el punto de romperse. La magnitud de la explosión es tan grande debido a que la cámara de vapor está confinada en todo el recipiente de la caldera, lo que significaría una gran masa de vapor liberado en un instante en caso de rotura. Las calderas tubos de fuego o pirotubulores se clasifican en: § Caldera tubular horizontal § Caldera tubular vertical 1.3.2.2.1 CALDERA TUBULAR HORIZONTAL Estas calderas constan de una envolvente cilíndrica, hoy en día normalmente soldadas, con tubos de igual diámetro que corren a lo largo de la envolvente y a través del volumen ocupado por el agua. El espacio o volumen por encima del nivel del agua sirve como separación y almacenaje de vapor. Una chapa separadora es instalada normalmente cerca de la salida de vapor para obtener sequedad en el vapor. La caldera tubular horizontal es de construcción sencilla y es un buen generador de vapor. Algunas desventajas de la caldera tubular horizontal son: § El peligro de quemado de las chapas que están justo encima de la llama, si hay depósitos o capas espesas de lodo sobre esta chapa de caldera, esta dificulta la limpieza de incrustaciones de lodo que es común en todas las calderas pirotubulares. § No son muy practicas en tamaños de chapas exterior de más de 96 de diámetro o para presiones que excedan de los 200 psi. 1.3.2.2.2 CALDERA TUBULAR VERTICAL La caldera vertical de tubos de humo se utiliza cuando apremia y es precaria la 32 superficie en la planta y los requisitos de presión y capacidad entran dentro del alcance de este tipo de caldera. Esta caldera es una unidad caldeada interiormente por tubos de gases. Al necesitar poco espacio es muy popular para servicios portátiles y transportables, se utilizan para servicio estacionario que requiere presiones y capacidades de producción media para procesos tales como prensas, aplicaciones de secado y planchado en lavandería y en la industria del plástico. La caldera tubular vertical esta limitada en capacidad y presión. Ventajas de las calderas pirotubulares: § Compactas y facilidad de transporte. § Bajo costo inicial. § Muy poca superficie requerida por HP de caldera. § No se precisa un asentamiento especial. § Instalación rápida y sencilla. Desventajas: § El interior no es muy accesible para la limpieza, inspección o reparación. § La capacidad de agua es pequeña, haciéndola difícil mantener una correcta presión de vapor bajo variaciones de carga. § La caldera es propensa a los arrastres (llevados por el vapor) cuando se trabaja a plena carga a causa del pequeño espacio de vapor. § La eficiencia o rendimiento es bajo en los tamaños pequeños porque los gases o humos tienen un corto recorrido, y directo, a la chimenea, de forma que se desperdicia mucho calor. 1.3.2.3 CALDERAS SIN TUBOS Estas calderas también son denominadas "Tubless", su característica principal es que no poseen tubería de fuego ni tubería de agua por lo tanto la manera de 33 transferir el calor de los gases de combustión al agua es a través de dos cilindros concéntricos en donde se forma una cámara de agua en el interior del cilindro interno y en el exterior del cilindro externo se encuentran los gases de combustión. Debido al pequeño volumen de agua que contiene y una mayor superficie de calefacción, la capacidad de generación de vapor es rápida, siendo esto una ventaja debido a que facilita su evaporación para cubrir demandas pico pero para demandas pequeñas de vapor. Las calderas sin tubos son del tipo explosivas, debido a que la presión de vapor se encuentra en una cámara la cual es parte de todo el cuerpo cilíndrico de la caldera. 1.3.3 SISTEMA DE AGUA DE ALIMENTACIÓN Uno de los factores principales por la operación óptima de una caldera es el contar con un sistema de suministro de agua que sea adecuado, ya que es indispensable mantener un nivel de agua constante en el interior de la caldera. Para que el sistema sea completo, requiere de las siguientes partes: § Tanque de reserva mínima de agua. § Equipo de bombeo. § Control del sistema. 1.3.3.1 TANQUE DE RESERVA MÍNIMA DE AGUA La cantidad de agua que consume una caldera, dependerá de la cantidad de vapor que se genere. El almacenamiento de agua se realiza en un tanque de uso diario, el cual además de mantener la reserva mínima de agua, sirve para recibir los condensados que retornan y por lo cual se conoce como tanque de condensado. Figura 1.17 El agua de reposición que entra al tanque de condensado es controlada por medio de una válvula de flotador que debe mantener un nivel que deje libre el 30% del volumen del tanque. 34 Figura 1.17. Tanque de condensado. 1.3.3.2 EQUIPO DE BOMBEO La bomba de alimentación de agua a la caldera debe ser capaz de vencer la presión de vapor que se tiene en la caldera, además debe tener la capacidad de abastecer la caldera con la cantidad de agua requerida en un corto tiempo. 1.3.3.3 CONTROL DE NIVEL DE AGUA Las calderas de operación automática deben estar provistas de un interruptor de bajo nivel de agua, el cual realiza las siguientes funciones: § Impide el funcionamiento del quemador mientras no exista suficiente agua en la caldera. § Controla la bomba de alimentación de agua. El control de bajo nivel está constituido por un flotador dentro de un receptáculo que se conecta por su parte superior a la cámara de vapor y por su parte inferior a la cámara de agua. Además debe estar equipado con un visor de nivel que permite observar la cantidad de agua que contiene la caldera. El control de nivel considera tres niveles fundamentales: EL NIVEL A: Indica alto nivel de agua, la bomba de alimentación de agua de la caldera se apaga en ese punto, el quemador está en condiciones de trabajar (la caldera deberá llenarse hasta ese nivel). 35 EL NIVEL B: La bomba de alimentación arranca cuando el nivel llega a ese punto y el quemador aún está en condiciones de trabajar si no existe otra causa que lo impida. NIVEL C: Indica el mínimo nivel de agua permisible, el quemador se apaga y suena la alarma. 1.3.3.4 AGUA DE ALIMENTACIÓN A CALDERAS El agua a ocuparse en la alimentación de la caldera es comúnmente llevada a unos suavizadores (Figura 1.18), los cuales sirven para quitarle ciertos minerales al agua que producen daños a la caldera, esta agua tratada es luego llevada a un tanque, con capacidad suficiente para atender la demanda de la caldera, una válvula de control de nivel mantiene el tanque con agua, una bomba de alta presión empuja el agua hacia adentro de la caldera, se emplean bombas de alta presión debido a que generalmente las calderas operan a presiones mucho más elevadas que las que encontramos en los tanques de agua. Figura 1.18. Suavizadores de agua 36 Vapor limpio es agua pura en forma de gas, cuando el vapor de retorno se enfría, este se condensa para ser agua pura, conocida como condensado. Normalmente estos contienen una gran cantidad de calor que puede aún ser empleado, utilizados como agua de alimentación a la caldera. Esto es posible siempre y cuando los condensados son retornados a la caldera y colectados en tanques con el agua de alimentación conocidos como tanques de condensado. En algunas instalaciones, el retorno de condensados puede llegar a ser del 99% casi supliendo el agua de alimentación a la caldera. A mayor porcentaje de recuperación de condensados será menor el agua de alimentación a la caldera. Hay otras instalaciones que probablemente requieran emplear el 100% de alimentación, esto puede ser por varias razones, como que el condensado no se puede recuperar o que el condensado está contaminado por alguna parte del proceso. Según los elementos que acompañan al agua, se pueden considerar como: Elementos Disueltos y Elementos en Suspensión , esto lo constituyen los minerales finamente divididos, como las arcillas y los restos de organismos vegetales o animales; y la cantidad de sustancias suspendidas, que son mayor en aguas turbulentas que en aguas quietas y de poco movimiento. Constituyen los elementos disueltos en el agua, las sustancias orgánicas, las sales minerales, los gases disueltos y la sílice, aunque ésta también suele aparecer como elemento en suspensión en forma de finísimas partículas o coloides. Las aguas pueden clasificarse según la composición de sales minerales presentes en: - Aguas Duras Importante presencia de compuestos de calcio y magnesio, poco solubles, principales responsables de la formación de depósitos e incrustaciones. 37 - Aguas Neutras Componen su formación una alta concentración de sulfatos y cloruros que no aportan al agua tendencias ácidas o alcalinas, o sea que no alteran sensiblemente el valor de pH. - Aguas Alcalinas Las forman las que tienen importantes cantidades de carbonatos y bicarbonatos de calcio, magnesio y sodio, las que proporcionan al agua reacción alcalina elevando en consecuencia el valor del pH presente. Los gases disueltos en el agua, provienen de la atmósfera, de desprendimientos gaseosos de determinados subsuelos, y en algunas aguas superficiales de la respiración de organismos animales y vegetales. Los gases disueltos que suelen encontrarse son el oxigeno, nitrógeno y anhídrido carbónico. Presiones en la Caldera La temperatura y la presión en la operación de cada caldera definitivamente están relacionadas, como se muestra en la tabla 1.1: Temperatura Presión °F °C P. S. I. 212 100 0 300 149 52 400 204 232 500 260 666 600 316 1529 700 371 3080 800 374 3200 Tabla 1.1. Punto de ebullición del agua a Diferentes Presiones 38 A la presión atmosférica normal el agua tiene un punto de ebullición a 100 °C, a mayor presión el punto de ebullición se incrementa, hasta alcanzar un máximo de ebullición a 374 °C a una presión de 3200 lb/ in2. Por encima de esta temperatura el agua no existe como líquido. 1.3.3.4.1 PROBLEMAS DERIVADOS DE LA UTILIZACIÓN DEL AGUA EN CALDERAS Los problemas mas frecuentes presentados en calderas pueden dividirse en dos grandes grupos: § Problemas de corrosión. § Problemas de incrustaciones. § Problemas de ensuciamiento y/o contaminación. - Problemas de corrosión. Para que esta aparezca, es necesario que exista presencia de agua en forma líquida, el vapor seco con presencia de oxígeno, no es corrosivo, pero los condensados formados en un sistema de esta naturaleza son muy corrosivos. El ataque corrosivo más intenso se produce en las zonas donde se acumula agua condensada. La corrosión que produce el oxigeno, suele ser severa, debido a la entrada de aire al sistema, a bajo valor de pH, el bióxido de carbono abarca por si mismo los metales del sistema y acelera la velocidad de corrosión del oxígeno disuelto cuando se encuentra presente en el oxígeno. El oxígeno disuelto ataca las tuberías de acero al carbono formando montículos o tubérculos, bajo los cuales se encuentra una cavidad o celda de corrosión activa: esto suele tener una coloración negra, formada por un óxido ferroso-férrico hidratado. 39 Una forma de corrosión que suele presentarse con cierta frecuencia en calderas, corresponde a una reacción de este tipo: 3 Fe + 4 H2O Fe3O4 + 4H2 Esta reacción se debe a la acción del metal sobrecalentado con el vapor. - Problemas de Incrustación El origen de la formación de incrustaciones en el interior de las calderas mismas está dado por las sales presentes en las aguas de aporte a los generadores de vapor, las incrustaciones formadas son inconvenientes debido a que poseen una conductividad térmica muy baja y se forman con mucha rapidez en los puntos de mayor transferencia de temperatura. Por esto, las calderas incrustadas requieren un mayor gradiente térmico entre el agua y la pared metálica que las calderas con las paredes limpias. Las sustancias formadoras de incrustaciones son principalmente el carbonato de calcio, hidróxido de magnesio, sulfato de calcio y sílice, esto se debe a la baja solubilidad que presentan estas sales y algunas de ellas como es el caso del sulfato de calcio, decrece con el aumento de la temperatura. Estas incrustaciones forman depósitos duros muy adherentes, difíciles de remover. Algunas de las causas más frecuentes de este fenómeno son las siguientes: § Excesiva concentración de sales en el interior de la unidad § Contaminación de algún tipo del vapor o condensado. § Transporte de productos de corrosión a zonas favorables para su precipitación. § Aplicación inapropiada de productos químicos. - Problemas de ensuciamiento y/o contaminación. Se consideran como contaminantes, distintas grasas, aceites y algunos hidrocarburos, ya que este tipo de contaminación son las más frecuentes en la industria. 40 Dependiendo de la cantidad y características de los contaminantes existentes en el agua de aporte a la caldera, generará en su interior depósitos, formación de espuma con su consecuente arrastre a la línea de vapor y condensado, siendo causante de la formación de incrustaciones y depósitos en la sección post-caldera. La formación de espuma, suele ocurrir por dos mecanismos: 1. Aumento de sólidos disueltos en el interior de la unidad, los que sobrepasan los límites aceptados de trabajo. 2. Presencia de algunos tipos de grasas y/o aceites (como ácidos orgánicos) produciendo una saponificación de las mismas dada la alcalinidad, temperatura y presión existentes en el interior de la caldera. La contaminación por hidrocarburos agrega la formación de una película aislante dificultando la transferencia térmica entre los tubos y el agua del interior de la unidad, agravándose esto con las características adherentes de esta película que facilita y promueve la formación de incrustaciones y la formación de corrosión bajo depósito, proceso que generalmente sigue al de formación de depósitos sobre las partes metálicas de una caldera. Luego de un tiempo, las características físicas de la película formada cambian debido a la acción de la temperatura que reciben a través de las paredes metálicas del sistema, haciendo que sufra un endurecimiento y coquificación , siendo difícil de remover por procedimientos químicos simples. 1.3.4 APARATOS DE CONTROL Y MONITOREO 1.3.4.1 EL CONTROL PROGRAMADOR La secuencia de operación del quemador desde que arranca hasta que finaliza, está gobernada por el control programador, que es el centro del sistema de control que recibe y envía señales a los diferentes dispositivos de operación en la caldera. 41 SECUENCIA BASICA DEL PROGRAMADOR: - Prepurga. Es el período de tiempo en que el motor ventilador produce un barrido de gases residuales existentes dentro del tubo central, los tubos de fuego y la chimenea de la caldera. Este paso asegura evitar una explosión o incendio cuando arranque el quemador. - Encendido de la llama piloto. Inmediatamente después de haber finalizado la prepurga es energizado el transformador de ignición y la válvula de combustible, para producir la llama piloto. - Encendido de llama principal. Habiéndose formado la llama piloto en el paso anterior, se detecta y se envía la señal al programador para que éste a su vez mande la señal eléctrica a las válvulas principales de combustible, permitiendo con ello encender la llama principal. - Período de trabajo. La llama principal se mantiene encendida, la caldera genera vapor hasta llegar a la presión de operación, luego el control programador cierra las válvulas del combustible y el quemador se apaga. - Post-purga. En este período la llama ya se ha apagado y el ventilador se encarga de evacuar los gases de combustión que han quedado en la caldera. 1.3.5 COMPONENTES DE SEGURIDAD DE UN GENERADOR DE VAPOR Válvulas de seguridad: Todo generador de vapor debe tener una o varias válvulas que permitan el desalojo de vapor con una capacidad igual o mayor de la capacidad generación nominal del equipo. En algunos casos se requiere un 10-15 % por encima de la capacidad. 42 Las válvulas de seguridad deben ser accionadas manualmente con regularidad, mínimo una vez al mes para asegurar su buen funcionamiento, sedimentos retenidos en el asiento de la válvula podrían pegarla o impedirle el cierre total, generando fugas. Cada seis meses o cuando lo recomiende un inspector de caldera, se deberá realizar una prueba de disparo automático de las válvulas incrementando la presión hasta el límite de diseño o límite de disparo. En caso de fallo la válvula sustituta deberá tener la misma capacidad de desalojo que la original y respetar el diámetro. No es seguro y nadie puede garantizar el ajuste o reparación de una válvula de seguridad; al romper el marchamo, se pierde la garantía de seguridad. Las válvulas de seguridad debidamente calibradas y funcionando adecuadamente previenen la explosión de la caldera en caso de condiciones de presión excesiva. Detector de llama o foto celda: Este es el control principal de operación del quemador. Sin detectar la llama, automáticamente cierra el proceso en el quemador. Mientas exista llama mantiene operando el quemador. Actúa como la llama piloto para establecer la llama principal; 10 segundos después de la llama piloto, el quemador inicia la operación normal, 15 segundos adicionales permite detectar una mala combustión o combustión errática Control de presión de seguridad límite: Este dispositivo bloquea totalmente la operación de la caldera cuando se excede la presión normal de operación, por esta razón es llamado control límite. Control de nivel de agua: Los controles de nivel en la caldera se usan para ver y monitorear lo que sucede en el interior de la caldera. La revisión diaria y semanal de los controles puede ayudar a la caldera a operar de una manera segura y confiable. Las mirillas de calibración deben estar siempre limpias para indicar el nivel de agua de la caldera. Los controles de bajo nivel de agua son diseñados e instalados para minimizar el 43 sobre calentamiento de las partes de la caldera. Los interruptores de corte por bajo nivel de agua están diseñados para desactivar los equipos de quemadores en caso de una caída del nivel de agua por debajo de un punto específico, evitando las explosiones. Este elemento controla la alimentación automática de agua activando y desactivando la bomba. Control auxiliar de bajo nivel de agua: Este dispositivo es opcional y evita problemas de falta de agua, en caso en que fallara el control de nivel principal. Alarmas: Este dispositivo manifiesta una falla o corte de operación por bajo nivel de agua, falla en la llama, falla del programador, etc. Existen en varias tipos: acústico de timbre o corneta, visual de luz en un tablero o foco local. Esta alarma alerta al operador para tomar acción correctiva inmediata. Control de presión o termostátos: Estos son elementos que censan y miden variables de presión o temperaturas que permiten fijar límites de operación o de proceso. Actúan como ampolletas de mercurio o microswitch para abrir o cerrar un circuito eléctrico. Algunos cierran cuando la presión aumenta, otros abren cuando la presión aumentan o viceversa y se resetean automáticamente o manualmente. Manómetros y termómetros: Estos instrumentos ayudan a ajustar los controles de operación verificando visualmente los parámetros de ajuste. Se recomienda que los manómetros estén graduados al doble de la presión máxima de trabajo y en ningún caso menos del 50% en exceso de dicha presión. Los termómetros deberán tener un rango adecuado para los límites de temperatura de trabajo. 44 1.4 DISTRIBUCIÓN DE VAPOR 1.4.1 SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR (TUBERÍAS) El sistema de distribución de vapor es el enlace que existe entre la sala de generación y el proceso de calentamiento de una determinada planta industrial. El dinero gastado en generar eficientemente el vapor puede ser perdido a menos que el sistema de distribución sea óptimo, conduciendo vapor de tal manera que en el lugar donde este se vaya a utilizar llegue con una correcta presión, seco y libre de aire y en la cantidad requerida. El vapor es simplemente un conductor de calor. El calor está contenido inicialmente en un combustible. En muchos casos no es práctico extraer el calor del combustible en el punto donde se requiere un calentamiento, este proceso usualmente se lleva a cabo en un punto central en un intercambiador de calor, es decir: un generador y transferido por medio de tuberías. Entre los factores más importantes a considerarse para un sistema de distribución de vapor se tienen: § Perdidas de presión. § Material de construcción. § Diámetro de tubería. § Espesor de pared de tubería. § Aislamiento térmico. § Dilatación de tuberías. § Soporte de tuberías. De esta manera el calor es transferido al medio transportador de calor, usualmente es vapor de agua o en algunos casos aceite. De todos ellos el que más se utiliza en la mayoría de procesos industriales, es el vapor de agua, debido a su simplicidad de generarlo y usarlo. 45 1.4.1.1 MATERIALES DE LAS TUBERÍAS DE VAPOR La tubería de acero ya sea soldada o sin costura es la que en la mayoría de los casos se utiliza. En la industria las normas de tuberías de vapor que más se utilizan son: Acero al Carbono sin costura (ASTM). Sin embargo la temperatura límite para esta clase de tubos es de 750ºF. Para temperaturas superiores se emplea tuberías de acero al carbono-molibdeno o al cromo-molibdeno2. 1.4.1.2 DIMENSIONAMIENTO DE TUBERÍAS. Existe una tendencia natural cuando se seleccionan los tamaños de tuberías, a guiarse por el tamaño de las conexiones del equipo que van a conectarse. Si la tubería se dimensiona de este modo, es posible que no se pueda alcanzar el caudal volumétrico deseado. Para corregir esto y poder dimensionar correctamente la tubería, pueden utilizarse reductores concéntricos y excéntricos. Figura 1.19 reductores concéntricos y excéntricos. 2 American Standard Testing Materials. 46 Efectos del sobredimensionamiento de tuberías: 1. Las tuberías tendrán un precio más elevado de lo necesario. 2. Formación de un mayor volumen de condensado a causa de mayores pérdidas de calor. 3. La calidad de vapor y posterior entrega de calor será mas pobre, debido al mayor volumen de condensado que se forma. 4. Los costes de instalación serán mayores. Subdimensionar las tuberías significa que: 1. La velocidad del vapor y la caída de presión serán mayores, generando una presión inferior a la que se requiere en el punto de utilización. 2. El volumen de vapor será insuficiente en el punto de utilización. 3. Habrá un mayor riesgo de erosión, golpe de ariete y ruidos, a causa del aumento de velocidad. 1.4.2 AISLAMIENTO TÉRMICO. Material aislante: es aquel que posee una baja conductividad térmica y por tanto representa una gran resistencia al paso de calor. Con el aislamiento térmico de tuberías (de sección circular) o conductos (sección cuadrada o rectangular) para transporte de fluídos en estado líquido, gas o vapor, en todos los casos se trata de reducir las elevadas pérdidas térmicas a través de la envolvente, que debido a las solicitaciones mecánicas y/o, a las elevadas temperaturas, se construyen de materiales metálicos con elevadas conductividades térmicas. 1.4.2.1 INCIDENCIA Y NECESIDAD DEL AISLAMIENTO EN EL TRANSPORTE DE FLUÍDOS La reducción del flujo de calor aportado por el aislamiento, supone en primer lugar un ahorro importante en la partida correspondiente al costo energético, pero también posibilita el transporte del fluído a grandes distancias, con variaciones muy pequeñas en la temperatura del mismo. 47 Cuando la temperatura del fluído debe mantenerse a lo largo del recorrido de la tubería, se utilizan tuberías de acompañamiento que aporten la energía necesaria, debiéndose aislar el conjunto de las mismas para garantizar dicha temperatura, con el mínimo coste energético. Otra parte importante a considerar como consecuencia de la reducción de las fugas térmicas, es el control de temperatura de la superficie exterior (cara fría), que puede suponer un riesgo para las personas (quemaduras), así como evitar su incidencia sobre la temperatura ambiente, cuando las tuberías circulan por locales con presencia de personas (mantenimiento u otra actividad). 1.4.2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS AISLANTES. Según la Norma Oficial Mexicana NOM-009-ENERG-1995 los materiales aislantes se clasifican de acuerdo a sus tipos genéricos, formas de presentación y aplicación. 1. Tipos de aislantes: el tipo indica la composición, estructura interna; clasificándose en: Fibras minerales Materiales procesados a partir del estado de fusión de roca, escoria o vidrio y convertidos a fibra con un procedimiento de centrifugación a alta velocidad o a través de dados de estirado o la combinación de ambos. Las fibras están distribuidas de modo multidireccional y dividen finamente el espacio de aire. Pueden o no estar unidas entre si. Los más usados son: lana de roca, lana de escoria y fibra de vidrio. Fibras celulares Compuestos por pequeñas celdas individuales separadas entre si. El material celular puede ser vidrio o plástico espumado. Los más utilizados son: vidrio espumado, poliestireno expandido, poliuretano, elastómeros, polisocianurato y espuma fenólica. 48 Fibras granulares: Compuestos por nódulos que contienen espacios vacíos. No son considerados como celulares debido a que el gas (aire) puede transitar entre los espacios individuales. Son combinados con fibras de refuerzo con lo cual consiguen rigidez, estructura y preforma, los más comúnmente usados son: vermiculita expandida, perlita expandida, tierra diatomácea y silicato de calcio. 2. La forma de presentación Los aislantes pueden ser producidos en una variedad de forma de acuerdo a funciones y aplicaciones específicas. Las formas más comunes son: Rígidos: Placas y bloques en forma rectangular y preformados para tuberías (medias cañas, cuadrantes, sextantes y bloques curvos) los aislantes fibrosos, celulares y granulares son producidos en esta forma. Flexibles: Preformados en hojas, rollos, tubos o unidades rectangulares que tienen un alto grado de flexibilidad. Los aislantes fibrosos y elastómeros se encuentran de esta forma. Colchonetas flexibles: Están cubiertas con malla metálica (metal desplegado y malla de gallinero) en uno o en ambos lados. Pueden fácilmente adaptarse a superficies curvas e irregularidades, de modo que simplifican su manejo y aplicación. Los del tipo fibroso son producidos como colchonetas flexibles. Cementos monolíticos: Producidos con materiales fibrosos y granulares cementados con bentonita, que mezclado con agua generan una masa viscosa de gran adherencia. Se disponen a granel envasados en bolsa. 49 Espumado en sitio: Espuma de poliuretano vaciada o espumada en sitio para cubrir o rellenar áreas irregulares o de difícil acceso. Principales materiales de aislamientos: Silicato de calcio: Es un aislante granular hecho a partir de silicato de calcio hidratado reforzado con fibras orgánicas e inorgánicas y moldeados en formas rígidas. Su rango de servicio es de 95 1499 oF. Es un material que absorbe agua, por tanto, se recomienda en aplicaciones a temperaturas superiores a los 482 oF, es no combustible y debe colocarse con recubrimiento protectivo. Fibra de vidrio: Es hecho a partir del estado de fusión de una mezcla de arenas con alto contenido de sílice. Según su proceso de manufactura se presenta en dos formas: § Con aglutinante orgánico: posee estructura propia y preforma. Dan lugar a medias cañas y placas rígidas y semirigidas. Tienen baja conductividad térmica, facilidad de corte, alta capacidad para recuperar su forma, bajo costo de instalación. Se deben proteger contra la intemperie y abuso mecánico. Puede soportar temperaturas hasta 849.2 oF. § Con aceites minerales. Que evitan abrasión entre fibras y dan lugar a colchonetas. Tiene baja conductividad térmica, facilidad de corte, alta resiliencia, bajo costo de instalación. Debe ser protegido con recubrimiento. Puede resistir 849.2 oF. Vidrio espumado: Es un aislante celular, rígido sin aglutinantes ni fibras de refuerzo. Se presenta en forma de media caña, placas, segmentos curvos y preformados para accesorios de tuberías. Su temperatura de aplicación es hasta 899.6 oF. Posee una densidad media, baja resistencia a la abrasión, facilidad de corte, alta resistencia compresión 50 (99.93 psia). Puede instalarse sin enchaquetado metálico y en instalaciones subterráneas. Lana de roca: Esta hecho a partir del estado de fusión de roca de tipo basáltica o semejante, con alto contenido de aluminio-silicatos. Según su la clase puede soportar temperaturas de hasta 1799.6oF. Perlita expandida: Esta fabricada a partir de un mineral silicato complejo de tipo ígneo, llamada perlita, cuya forma granular se expande por la explosión que produce la humedad contenida en la molécula al exponerse a alta temperatura repentina. Se refuerza con fibras inorgánicas para dar lugar a placas, medias cañas y segmentos curvos. Es repelente al agua, otorga facilidad de corte, posee densidad media, es incombustible. Se protege con enchaquetado de aluminio. Máxima temperatura 1200.2 oF. Elastoméricos: Es del tipo celular producido a partir de la mezcla de resinas espumadas y hules. Disponible en tubos preformados y hojas, su temperatura máxima de aplicación es de 219.2 oF. Posee baja permeabilidad al agua y al vapor de agua, facilidad de corte e instalación, buena resistencia al ozono. Es combustible, auto extinguible y económico en instalaciones a baja temperatura. Poliestireno: Es un aislante celular, hecho a partir del espumado de polímeros plásticos que dan lugar a un material rígido de celda cerrada. Disponible en medias cañas y placas. Su densidad comercial es 2 lb/ft3. Su temperatura máxima de aplicación es hasta 176oF. No contiene clorofluorocarbonos. Requiere barrera de vapor y protección contra la intemperie. Es económico en instalaciones a baja temperatura. 51 Poliuretano: Hecho a partir del espumado de polímeros plásticos que dan lugar a un material rígido de celda cerrada. Disponible en medias cañas, placas y espumado en sitio. Su densidad comercial es 2 lb/ft3. Su temperatura máxima es hasta 230oF. Contiene clorofluorocarbonos. Es un material ligero y fácil corte. Requiere barrera de vapor y protección contra la intemperie. Es económico en instalaciones a baja temperatura. Materiales complementarios: § Materiales de sujeción. § Materiales de acabado. § Barreras de vapor. § Otros materiales. Variables importantes de los aislamientos, que deben tomarse en cuenta: § Temperatura del fluído de proceso. § Espesor del aislamiento. § Tipo del material aislante. § Conductividad térmica del aislante. § Tipo de recubrimiento del material aislante. § Temperatura de superficie. § Diámetro nominal de la tubería. § Tipo de tubería. § Temperatura de pared. § Temperatura ambiente. § Velocidad del viento. 52 1.4.2.2.1 MONTAJE DEL MATERIAL AISLANTE Aislamiento en forma de fieltros o capas. Se corta la manta en una dimensión igual a "diámetro exterior tubería + doble del espesor de la manta" y se coloca sobre la tubería, "cosiendo" los bordes de la manta por la malla, con alambre de acero dulce galvanizado. Para tuberías con un diámetro superior a 9.84 in, debe reforzarse la fijación de la manta mediante lazadas de alambre, o soportes de acero galvanizado con sistema de tensado. A partir de una temperatura superior a 392 ºF, el aislamiento debe colocarse en dos o más capas, a "cubrejuntas". Colocación del revestimiento exterior (protección del aislamiento). Para el revestimiento del aislamiento puede utilizarse chapa de: aluminio, galvanizada y acero inoxidable. Para diámetros de hasta 19.68 23.62 in, la chapa de revestimiento se ata en las juntas longitudinales y transversales, mediante tornillos de rosca chapa, presentándose los bordes de junta transversal y uno de los bordes de junta longitudinal. Caso particular de tuberías de acompañamiento Se reviste la tubería principal y las de acompañamiento con una malla electro soldada galvanizada o inoxidable, "cosiendo" en las juntas con alambre de acero galvanizado o inoxidable. Como aislamiento se utiliza manta, cosiendo los bordes longitudinales y transversales, con alambre galvanizado y reforzando con amarres de alambre provistos de sistema de tensado. Bridas y válvulas Para el aislamiento de bridas y válvulas, se utiliza un encapsulado desmontable dividido en dos mitades, construido con chapa de aluminio. Y perfiles en U de 53 refuerzo de acero galvanizado o aluminio, revistiéndolo por la cara interior con manta, la cual se fija mediante platinas. En las juntas trasversales y longitudinales se intercala un fieltro de lana cerámica. Ambas piezas del "encapsulado", se fijan mediante cuatro cierres de presión. 1.4.3 DILATACIÓN DE TUBERÍAS Las tuberías siempre se instalan a temperatura ambiente. Cuando transportan fluídos calientes, como agua o vapor, funcionan a temperaturas superiores y por lo tanto se expanden, especialmente en longitud, al pasar de la temperatura ambiente a la temperatura de trabajo