REDES DE VAPOR

OBJETIVO

Conocer los componentes básicos de un sistema de vapor, así como su principio de funcionamiento y la aplicación que este tipo de proceso tendría en los diversos campos industriales de hoy en día.

MARCO TEÓRICO

El vapor de agua en la industria es un producto muy utilizado por sus características energéticas, dado que en una unidad pequeña tenemos gran contendido energético, ahora bien, los costes de producción y distribución en las naves de producción son elevados. Por ello, los responsables técnicos o gerenciales han de poner mucha atención en su producción, en su transporte hasta los puntos de consumo y en su utilización, con objeto de que su utilización sea los más eficaz y eficiente posible..

INDICE

I. ¿QUE ES UNA CALDERA?

II. CARACTERÍSTICAS QUE HACEN AL VAPOR UN FLUIDO UTILIZABLE

III. APLICACIONES DEL VAPOR

IV. ¿QUE ES UNA RED DE VAPOR?

5.1 Elementos que forman una red de vapor

“Recipiente metálico, grande y más o menos redondeado y cilíndrico que sirve para hervir un líquido y generar vapor que será empleado para producir energía o como sistema de calefacción”. Una caldera es el punto de partida en la producción de energía en la inmensa mayoría de las empresas. Una caldera es un cambiador de calor; transforma la energía química del combustible en energía calorífica. Además, intercambia este calor con un fluido, generalmente agua, que se transforma en vapor de agua. En una caldera se produce la combustión que es la liberación del calor del combustible y la captación del calor liberado por el fluido.

Fig.1 Caldera

I. ¿QUE ES UNA CALDERA?

Tipos de calderas

Calderas pirotubulares o de tubos de humoSe caracterizan porque la llama de la combustión se forma dentro de cada hogar cilíndrico de la caldera, pasando los humos generados por el interior de los tubos , para ser conducidos a la chimenea de evacuación. En estas calderas, tanto los hogares, como los tubos de humo están en el interior completamente rodeados de agua.

Calderas acuotubulares o de tubos de aguaSe caracterizan porque la llama de los quemadores se forma dentro de un recinto formado por paredes tubulares en todo su entorno, que configuran la llamada cámara de combustión (hogar). La cualidad que diferencia a estas calderas es, que todos los tubos que integran su cuerpo están llenos de agua, en los que se transforma parte de agua en vapor cuando generan vapor como fluido final de consumo.

Calderas pirotubulares o de tubos de humo

Calderas acuotubulares o de tubos de agua

Materia prima barata y de elevada disponibilidadAmplio rango de temperaturas de empleoIninflamable y no tóxicoFácilmente transportable por tuberíaElevado calor de condensaciónElevado calor específicoTemperatura de condensación fácilmente regulable

El vapor de agua constituye el fluido energético ideal para aplicación en el campo industrial. La razón fundamental es la necesidad que tiene la industria de emplear fuentes de calor a muy diversos niveles de temperatura. Este requisito lo cumple el vapor a la perfección pues cubre holgadamente una banda de trabajo entre 1,13 bar y 70 bar que equivalen a una banda térmica entre 103°C y 287°C como vapor saturado seco e incluso más elevadas si el vapor se produce con sobrecalentamiento posterior.

II. CARACTERÍSTICAS QUE HACEN AL VAPOR UN FLUIDO UTILIZABLE

Manejo y usos del vapor de agua

Cuando al agua se le comunica energía calorífica, varia su entalpía y su estado físico. La temperatura a la cual se produce su ebullición depende de su pureza y de la presión absoluta ejercida sobre ella. El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es igual a la presión atmosférica. Como el punto de ebullición depende de la presión atmosférica, éste variará al modificarse la presión atmosférica.

Ecuación de sidney-young

ΔTeb = Cambio en el punto de ebullición (Teb,760 − Teb,P)

KSY = Constante de Sidney-Young

P = Presión dada a la cual se quiere medir el punto de ebullición (comúnmente la presión atmosférica).

[(0,00012 (H2O) ]

Teb,p = Punto de ebullición del líquido a la presión dada (P).

Que fenómenos ocurren en el cambio de la fase líquida a la fase vapor del agua

Un líquido que está a punto de vaporizar se le conoce como líquido saturado.

Cualquier pérdida de calor, causará que cierto vapor se condense. Un vapor que esté a punto de condensarse se le llama vapor saturado. Una vez que toda el agua se ha vaporizado tenemos una sola fase (vapor), y si se sigue aumentando la transferencia de calor, el resultado será un incremento en la temperatura y en el volumen especifico, podría incluso ha llegar la temperatura del agua a 300 oC. En este punto si el vapor perdiera calor, la temperatura caerá, pero no ocurriría una condensación, ya que la temperatura se mantiene arriba de los 100 oC. Un vapor que no está a punto de condensarse se le conoce como vapor sobrecalentado.

Vapor en etapa de vaporización Vapor sobrecalentado

Aplicado para calentamiento y humidificación (110-250 oC)

El vapor sobrecalentado es utilizado en la industria procesadora de alimentos para cocimiento, secado/ deshidratado.

Vapor para impulso y movimiento (Turbinas de vapor)

Como su nombre lo indica son las encargadas de transportar el vapor generado en las calderas hasta los diferentes lugares en donde los procesos puedan requerir la energía que el vapor puede llegar a ceder. El vapor se transporta a través de tuberías llamadas:

Primarias: Por estas van grandes cantidades de vapor, es o son los que salen directamente desde la caldera y van a lo largo de toda la planta.

Secundarios: Son tubos de menor diámetro que el de los tubos primarios, estos van conectados directamente a los primarios y se les denomina así porque manejan las cantidades exactas de vapor que necesitará determinada máquina o elemento (flujos de vapor más pequeños).

III. APLICACIONES DEL VAPOR

IV . ¿QUE ES UNA RED DE VAPOR?

Como evitar pérdidas de potencial energético

Hay que tener en cuenta que para evitar pérdidas en el potencial energético del vapor y la condensación al interior de las tuberías, estás deben ir aisladas, el aislante térmico más utilizado es la lana de vidrio, debido a que tiene un fácil manejo permitiendo el recubrimiento en su totalidad de la tubería, usualmente se puede observar que la lana de vidrio esta recubierta por una coraza de aluminio, esto con el fin de evitar la aspersión de la lana de vidrio que puede llagar a ser muy molesta.

Redes o tubos de conducción.CalderasFiltrosVálvulas para la eliminación de condensado (trampas de vapor).Elementos sensoriales (termómetros y manómetros).

5.1 Elementos que forman una red de vapor

Tipos de válvulas

Válvulas operadas manualmente

Válvulas automáticas (llamadas trampas de vapor)

a) b)

Fig.1 Válvulas operadas manualmente

Una válvula se puede definir como un aparato mecánico, el cual es un instrumento de control para la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos.

a) Válvula de compuerta : Es utilizada para el flujo de fluidos limpios y sin interrupción

b. Válvulas de globo: Debido a que la caída de presión es bastante fuerte (en todo caso siempre controlada) se utilizan en servicios donde la válvula de compuerta no puede estrangular o dar un servicio eficiente.

c. Válvula de bola: Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto.

Las válvulas Check o válvulas de retención son utilizadas para no dejar regresar un fluido dentro de una línea. Esto implica que cuando las bombas son cerradas para algún mantenimiento o simplemente la gravedad hace su labor de regresar los fluidos hacia abajo, esta válvula se cierra instantáneamente dejando pasar solo el flujo que corre hacia la dirección correcta. Por eso también se les llama válvulas de no retorno. Obviamente que es una válvula unidireccional y que debe de ser colocada correctamente para que realice su función usando el sentido de la circulación del flujo que es correcta.

d. Válvulas check

e. Válvula de mariposa: Gira un disco apoyado en dos extremos, sobre un eje perpendicular al de la válvula. Su costos de mantenimiento también son bajos, debido a que tienen un mínimo de partes móviles. Las válvulas de mariposa se usan principalmente en servicios de control y abre-cierre, de grandes flujos de líquidos y gases a presiones relativamente bajas. Los principales elementos estructurales de una válvula de mariposa son: el disco de control de flujo ( mariposa ) y la carcasa del cuerpo.

Existen en el mercado 3 tipos principales:

Tipo oblea Tipo bridada Tipo roscada

f. Válvula de seguridad: Las válvulas de seguridad son válvulas operadas por resortes las cuales se abren cuando la presión de fluido Ilega a un valor predeterminado, de tal forma que sirve de desahogo al sistema de distribución cuando la presión alcanza valores superiores a la presión de seguridad.

Descarga lateral para servicio de vapor, aire o gasPresión máxima de operación: 21.1 Kg/cm² (300 psi)Temperatura máxima de operación: 208°C (406°F)Medida nominal desde ½" hasta 4".Conexión roscada macho a la entrada y hembra a la salida. Válvulas con asiento y disco en acero inoxidable.

Las de tipo automático se dividen en tres grupos:

Grupo termostático

Grupo mecánico

Grupo termodinámico

Son de fácil mantenimiento ya que el fuelle y el asiento pueden ser cambiados sin la necesidad de sacar la válvula de la línea, es decir, sin ser desmontada. No sirven para vapor sobrecalentado, la elevada temperatura crea una sobre presión en el fuelle.

Fig. 2 Válvula de presión balanceada

Grupo termostático

Se pueden ajustar para descargar a bajas temperaturas, Resiste vapor sobrecalentado. La respuesta a los cambios de temperatura es lenta.

Fig. 3 Válvula de expansión líquida

Fig. 4 Válvulas de tipo bimétalicos

Grupo mecánico

Fig.5 Válvula de flotador libre.wmv

Fig.7 Válvula con eliminador termostático de aire

Fig. 6 Válvula de flotador y palanca

Fig. 8 Trampa de balde abierto Fig. 9 Válvula de cubeta invertida

Instalación de las trampas de vapor

Las trampas de valor deben colocarse debajo del equipo o de la tuberíaque se requiere drenar para permitir el flujo de condensado, por gravedad,a la trampa. Todas las trampas deben colocarse lo más cerca posible delos equipos que se van a drenar.

Las trampas se deben instalar a no más de 50_m una de otra.

Utilice una trampa para cada equipo que use vapor.

No instale nunca una sola trampa para un grupo de unidades.

Instale uniones universales a cada lado de la trampa y a igual distancia,para facilitar su desmontaje y mantenimiento.

Las tuberías horizontales de Ilegada a la trampa deben tener una leveinclinación hacia la trampa para evitar un sello de vapor

Antes de las válvulas de control de presión y temperatura.

Antes de las juntas de expansión y en la parte baja de todas las tuberíasde elevación.

Al final de las tuberías principales de entrega de vapor.

En los de nivel inferior de una Iínea horizontal

En los puntos intermedios de tuberías horizontales muy largas, adistancias aproximadas de 30,00 mts.

Las trampas eliminan el golpe de ariete

El golpe de ariete se produce cuando el condensado en lugar de ser purgado en los puntos bajos del sistema, es arrastrado por el vapor a lo largo de la tubería, y se detiene bruscamente al impactar contra algún obstáculo del sistema. Cuando se obstruye su paso, a causa de una curva u otro accesorio de tubería, la energía cinética se convierte en un golpe de presión que es aplicado contra el obstáculo.

Filtros

Un filtro es un elemento mecánico usado para retener toda impureza que puede tener el fluido. Tiene las mismas conexiones que las válvulas y están fabricados con un cuerpo de acero, hierro fundido, bronce, acero inoxidable. Tienen en su interior una malla la cual puede ser de acero “o” acero inoxidable

La señalización industrial es de gran importancia en cualquier instalación, ya que gracias a ésta se pueden evitar accidentes por causa de ignorar cualquier riesgo de peligro que pueda causar un accidente. Es necesario que se señale los lugares donde las personas puedan tener contacto con la tubería de vapor ya que ésta se encuentra a una elevada temperatura y puede causar graves quemaduras a una persona si la llega a tocar. También es necesario que se identifique el revestimiento y la tubería que no tiene revestimiento con franjas de colores amarillo y anaranjado que indiquen que la tubería es de vapor, con esta medida se evitara que los operarios que le dan mantenimiento a otras tuberías puedan tener accidentes por tocar o rozar sin intención la tubería de la red de distribución de vapor.

Señalización industrial para la red de distribución de vapor

Dos franjas amarillas _____________________tubería de vapor Una franja amarilla y una anaranjada__ ______tubería de retorno de vapor

Presión

La presión a la que el vapor debe distribuirse está básicamente determinada por el equipo de la planta que requiere una mayor presión.

Si se tiene en cuenta, como se verá con más detalle posteriormente, que el vapor perderá una parte de su presión al pasar por la tubería, a causa de la pérdida de carga en la misma y a la condensación por la cesión de calor a la tubería, se deberá preveer este margen a la hora de decidir la presión inicial de distribución desde la caldera.

Resumiendo, cuando se selecciona la presión de trabajo, se debe tener encuenta lo siguiente:

Presión requerida en el punto de utilización. Caída de presión a lo largo de la tubería Pérdidas de calor en la tubería.

El vapor a alta presión presenta un volumen específico menor que el vapor abaja presión. Por tanto, si el vapor se genera en la caldera a una presión muy superior a la requerida por su aplicación, y se distribuye a esta presión superior, el tamaño de las tuberías de distribución será mucho menor para cualquier caudal.

Ventajas de la generación y distribución de vapor a una presión elevada:

Se requieren tuberías de distribución de vapor de menor diámetro. Menores pérdidas energéticas al presentar una superficie de intercambiomenor.Menor coste de las líneas de distribución.Menor coste de accesorios de tubería y mano de obra de montaje.Menor coste del aislamiento.Vapor más seco en el punto de utilización, debido al efecto de aumento de fracción seca que tiene lugar con cualquier aumento de presión.

Tuberías para vapor

Se puede llamar tubería a cualquier cuerpo hueco con cualquier forma geométrica que puede conducir entre sus paredes a sólidos, líquidos, gases, vapores, o mezclas de los anteriores. Cabe mencionar la denominación que se le da a una tubería por el fluido que conduce:

Al manejar líquidos se le llamará tubería.

Cuando maneja gases o vapores comúnmente a baja presión y velocidad se les llama ductos.

Si conduce sólidos en caída por gravedad se les nombra como tiros.

Tubería Ductos Tiros

El tamaño ( diámetro ) de la tubería se identifica por su nominal pipe size “NPS” ( tamaño nominal de tubo en ingles ). Para soportar diferentes presiones, la tubería en un diámetro dado puede ser ofertada con diferentes grosores.

Materiales para tuberías

Tuberías hechas con materiales ferrosos: fierro fundido, acero y sus aleaciones han probado ser los materiales que dan mejores condiciones de resistencia química y mecánica contra el costo, en la actualidad son los materiales mas comunes de tubería.

Tubería con costura Tubería sin costura

Materiales no ferrosos: Podemos hablar entonces de tuberías de cobre, plomo, níquel, bronce, latón y aluminio.

Tubería de cobre Tubería de aluminio

Materiales plásticos: Las tuberías plásticas se han desarrollado como un buen medio para conducir fluidos con gran actividad química; generalmente están compuestas de un polímero único o como resultado de una mezcla de diferentes polímeros. Cabe hacer notar que en contraposición a su alta resistencia química, se opone su generalmente pobre resistencia mecánica; por lo que es muy común soportarla con camisas de tubería metálica u otros tipos de soporte. Cabe hacer notar que en contraposición a su alta resistencia química, se opone su generalmente pobre resistencia mecánica; por lo que es muy común soportarla con camisas de tubería metálica u otros tipos de soporte.

Tubería de PVC Tubería de Polipropileno

Métodos para unir tuberías

Para reunir los tramos de tubería con sus accesorios se puede hacer usos de los siguientes métodos de unión:

a) Unión por cordón de soldadura a tope.b) Unión por soldadura a enchufe.c) Unión por medio de roscado.d) Unión por bridas atornilladas ( Uniones bridadas )e) Uniones de sujeción rápida ( uniones rápidas )f) Uniones especiales.

La unión por cordón de soldadura a tope es generalmente tratándose de acero al carbón, el medio mas económico a prueba de fugas para unir tuberías, pero estas virtudes se ven opacadas por su nula facilidad de desarme.

Líneas de tubería unidas con cordón de tubería a tope.

Unión de tuberías por soldadura a enchufe.

La unión de tuberías por soldaduras a enchufe tiene varios casos: uniones de alta presión de acero forjado, uniones de media y baja presión para cobre con soldadura fundida.

Unión de tuberías roscadas

Las tuberías se pueden unir roscando la tubería por el lado exterior ( roscado macho ) y unirlo con accesorios con roscado interior ( roscado hembra ); y estos accesorios entre si con roscados macho ó hembra. Este sistema de unión seria universal si no fuera que a partir de 2”Ø se vuelve cada vez mas difícil enroscar una pieza contra otra.

El medio mas versátil para unir tuberías y sus accesorios es por medio de bridas, lo cual incrementa su mantenimiento; las bridas son caras y frecuentemente su uso de limita a ser compañeras de bridas de tanques, equipos, válvulas, instrumentos , o líneas de proceso que requieren de limpieza periódica

Unión de tuberías bridadas

Simbología de elementos que integran la red de vapor

Fig. 1 Red de distribución de vapor