Es útil introducir el tema del vapor considerando sus muchos usos y beneficios, antes de entrar en una visión general de la planta de vapor o cualquier explicación técnica.
El vapor ha recorrido un largo camino desde sus asociaciones tradicionales con las locomotoras y la Revolución Industrial. El vapor hoy es una parte integral y esencial de la tecnología moderna. Sin él, nuestras industrias de alimentos, textiles, química, medicina, energía, calefacción y transporte no podrían existir ni funcionar como lo hacen.
El vapor proporciona un medio de transportar cantidades controlables de energía desde una sala de calderas central y automatizada, donde puede generarse de manera eficiente y económica, hasta el punto de uso. Por lo tanto, a medida que el vapor se mueve por una planta, puede considerarse igualmente como el transporte y suministro de energía.
Por muchas razones, el vapor es una de las mercancías más ampliamente utilizadas para transmitir energía térmica. Su uso es popular en toda la industria para una amplia gama de tareas, desde la producción de energía mecánica hasta la calefacción de espacios y aplicaciones de proceso.
El vapor es eficiente y económico de generar
El agua es abundante e inofensiva. No es peligrosa para la salud y es respetuosa con el medio ambiente. En su forma gaseosa, es un portador de energía seguro y eficiente. El vapor puede contener cinco o seis veces más energía potencial que una masa equivalente de agua.
Cuando el agua se calienta en una caldera, comienza a absorber energía. Dependiendo de la presión en la caldera, el agua se evaporará a cierta temperatura para formar vapor. El vapor contiene una gran cantidad de energía almacenada que eventualmente se transferirá al proceso o al espacio a calentar.
Puede generarse a altas presiones para dar altas temperaturas de vapor. Cuanto mayor es la presión, mayor es la temperatura. Más energía térmica está contenida dentro del vapor a alta temperatura, por lo que su potencial para realizar trabajo es mayor. Las calderas de carcasa modernas son compactas y eficientes en su diseño, usando múltiples pasadas y tecnología de quemador eficiente para transferir una proporción muy alta de la energía contenida en el combustible al agua, con mínimas emisiones. El combustible de la caldera puede elegirse entre una variedad de opciones, incluyendo residuos combustibles, lo que hace que la caldera de vapor sea una opción respetuosa con el medio ambiente entre las opciones disponibles para proporcionar calor. La planta centralizada de calderas puede aprovechar tarifas de gas interrumpibles bajas, ya que cualquier combustible de respaldo adecuado puede almacenarse para cuando se interrumpa el suministro de gas. Los sistemas de recuperación de calor altamente efectivos pueden eliminar virtualmente los costes de purga, devolver valioso condensado a la sala de calderas y aumentar la eficiencia general del circuito de vapor y condensado.
La creciente popularidad de los sistemas de Cogeneración (CHP) demuestra la alta consideración por los sistemas de vapor en las industrias actuales conscientes del medio ambiente y la energía.
El vapor puede distribuirse fácilmente y de forma rentable al punto de uso
El vapor es uno de los medios más ampliamente usados para transmitir calor a distancia. Debido a que el vapor fluye en respuesta a la caída de presión a lo largo de la línea, no se necesitan bombas de circulación costosas. Debido al alto contenido de calor del vapor, solo se requieren tuberías de calibre relativamente pequeño para distribuir el vapor a alta presión. La presión se reduce entonces en el punto de uso, si es necesario. Esta disposición hace que la instalación sea más fácil y menos costosa que para algunos otros fluidos de transferencia de calor. En general, los menores costes de capital y funcionamiento de la generación de vapor, distribución y sistemas de retorno de condensado significan que muchos usuarios eligen instalar nuevos sistemas de vapor en preferencia a otros medios energéticos, como sistemas de gas, agua caliente, eléctricos y de aceite térmico.
El vapor es fácil de controlar
Debido a la relación directa entre la presión y la temperatura del vapor saturado, la cantidad de energía suministrada al proceso es fácil de controlar, simplemente controlando la presión del vapor saturado. Los controles de vapor modernos están diseñados para responder muy rápidamente a los cambios del proceso.
El elemento mostrado en la Figura 1.1.4 es un conjunto típico de válvula de control de dos puertos y actuador neumático, diseñado para uso con vapor. Su precisión se mejora mediante el uso de un posicionador de válvula neumático.
El uso de válvulas de dos puertos, en lugar de las válvulas de tres puertos a menudo necesarias en sistemas de líquidos, simplifica el control y la instalación, y puede reducir los costes del equipo.
La energía se transfiere fácilmente al proceso
El vapor proporciona una excelente transferencia de calor. Cuando el vapor llega a la planta, el proceso de condensación transfiere eficientemente el calor al producto que se está calentando.
El vapor puede rodear o ser inyectado en el producto que se está calentando. Puede llenar cualquier espacio a una temperatura uniforme y suministrará calor condensándose a una temperatura constante; esto elimina los gradientes de temperatura que pueden encontrarse a lo largo de cualquier superficie de transferencia de calor, un problema que es tan frecuente en los aceites de alta temperatura o la calefacción por agua caliente, y puede resultar en problemas de calidad, como la distorsión de los materiales que se secan.
Debido a que las propiedades de transferencia de calor del vapor son tan altas, la superficie de transferencia de calor requerida es relativamente pequeña. Esto permite el uso de plantas más compactas, que son más fáciles de instalar y ocupan menos espacio en la planta. Una unidad prefabricada moderna para agua caliente con vapor, con capacidad de 1 200 kW e incorporando un intercambiador de calor de placas de vapor y todos los controles, requiere solo 0,7 m² de espacio en el suelo. En comparación, una unidad prefabricada que incorpore un intercambiador de calor de carcasa y tubos cubriría típicamente un área de dos a tres veces ese tamaño.
La planta de vapor moderna es fácil de gestionar
Cada vez más, los usuarios industriales de energía buscan maximizar la eficiencia energética y minimizar los costes de producción y gastos generales. El Acuerdo de Kioto para la protección del clima es una influencia externa importante que impulsa la tendencia de eficiencia energética, y ha llevado a varias medidas en todo el mundo, como el Impuesto sobre el Cambio Climático en el Reino Unido. Además, en los mercados competitivos de hoy, la organización con los costes más bajos puede lograr una ventaja importante sobre sus rivales. Los costes de producción pueden significar la diferencia entre la supervivencia y el fracaso en el mercado.
Las formas de aumentar la eficiencia energética incluyen monitorear y cobrar el consumo de energía a los departamentos correspondientes. Esto crea una conciencia de costes y enfoca a la gestión en cumplir objetivos. Los costes generales variables también pueden minimizarse asegurando un mantenimiento planificado y sistemático; esto maximizará la eficiencia del proceso, mejorará la calidad y reducirá el tiempo de inactividad.
La mayoría de los controles de vapor pueden interactuar con sistemas de instrumentación y control modernos en red para permitir un control centralizado, como en el caso de un sistema SCADA o un Sistema de Gestión de Edificios/Energía. Si el usuario lo desea, los componentes del sistema de vapor también pueden operar independientemente (autónomo).
Con un mantenimiento adecuado, una planta de vapor durará muchos años, y la condición de muchos aspectos del sistema es fácil de monitorear de forma automática. En comparación con otros sistemas, la gestión planificada y el monitoreo de las trampas de vapor es fácil de lograr con un sistema de monitoreo de trampas, donde cualquier fuga o bloqueo se señala automáticamente e inmediatamente se lleva a la atención del ingeniero.
Esto puede contrastarse con los costosos equipos necesarios para el monitoreo de fugas de gas, o el monitoreo manual que consume tiempo asociado con los sistemas de aceite o agua.
Además de esto, cuando un sistema de vapor requiere mantenimiento, la parte relevante del sistema es fácil de aislar y puede drenar rápidamente, lo que significa que las reparaciones pueden realizarse rápidamente.
En numerosas ocasiones, se ha demostrado que es mucho menos costoso modernizar una planta de vapor establecida desde hace mucho tiempo con sistemas sofisticados de control y monitoreo, que reemplazarla con un método alternativo de suministro de energía, como un sistema de gas descentralizado. Los casos de estudio referidos en el Módulo 1.2 proporcionan ejemplos de la vida real.
La tecnología de vanguardia de hoy está muy lejos de la percepción tradicional del vapor como el material de las máquinas de vapor y la Revolución Industrial. De hecho, el vapor es la preferencia para la industria hoy. Nombre cualquier marca de consumo conocida, y en nueve de cada diez, el vapor habrá desempeñado un papel importante en la producción.
El vapor es flexible
No solo es el vapor un excelente portador de calor, sino que también es estéril, y por tanto popular para uso en proceso en las industrias alimentaria, farmacéutica y de la salud. También se usa ampliamente en hospitales para fines de esterilización.
Las industrias en las que se usa el vapor van desde enormes plantas petroquímicas hasta pequeñas lavanderías locales. Otros usos incluyen la producción de papel, textiles, elaboración de cerveza, producción de alimentos, curado de caucho, y calefacción y humidificación de edificios.
Muchos usuarios encuentran conveniente usar el vapor como el mismo fluido de trabajo tanto para la calefacción de espacios como para aplicaciones de proceso. Por ejemplo, en la industria cervecera, el vapor se usa de diversas maneras durante diferentes etapas del proceso, desde la inyección directa hasta la calefacción por serpentinas.
El vapor también es intrínsecamente seguro; no puede causar chispas y no presenta riesgo de incendio. Muchas plantas petroquímicas utilizan sistemas de extinción de incendios con vapor. Por lo tanto, es ideal para su uso en áreas peligrosas o atmósferas explosivas.
Otros métodos de distribución de energía
Las alternativas al vapor incluyen el agua y los fluidos térmicos como el aceite de alta temperatura. Cada método tiene sus ventajas y desventajas, y será más adecuado para ciertas aplicaciones o rangos de temperatura.
Comparado con el vapor, el agua tiene un menor potencial para transportar calor, por lo tanto grandes cantidades de agua deben bombearse por todo el sistema para satisfacer los requisitos de proceso o calefacción de espacios. Sin embargo, el agua es popular para aplicaciones generales de calefacción de espacios y para procesos de baja temperatura (hasta 120 °C) donde se puede tolerar cierta variación de temperatura.
Los fluidos térmicos, como los aceites minerales, pueden usarse donde se requieren altas temperaturas (hasta 400 °C), pero donde el vapor no puede usarse. Un ejemplo incluiría el calentamiento de ciertos productos químicos en procesos por lotes. Sin embargo, los fluidos térmicos son caros y necesitan reemplazo cada pocos años; no son adecuados para sistemas grandes. También son muy ‘penetrantes’ y las conexiones y juntas de alta calidad son esenciales para evitar fugas.
Los diferentes medios se comparan en la Tabla 1.1.1, que sigue. La elección final del medio de calefacción depende de lograr un equilibrio entre factores técnicos, prácticos y financieros, que serán diferentes para cada usuario.
En términos generales, para calefacción comercial y ventilación, y sistemas industriales, el vapor sigue siendo la elección más práctica y económica.
Los beneficios del vapor - un resumen
Tabla 1.1.1 Comparación de medios de calefacción con el vapor
| Vapor | Agua caliente | Aceites de alta temperatura |
| Alto contenido de calor Calor latente aproximadamente 2 100 kJ/kg | Contenido de calor moderado Calor específico 4,19 kJ/kg °C | Pobre contenido de calor Calor específico a menudo 1,69-2,93 kJ/kg °C |
| Inexpensivo Algunos costes de tratamiento de agua | Inexpensivo Solo dosificación ocasional | Caro |
| Buenos coeficientes de transferencia de calor | Coeficientes moderados | Coeficientes relativamente pobres |
| Se requiere alta presión para altas temperaturas | Se necesita alta presión para altas temperaturas | Solo bajas presiones para obtener altas temperaturas |
| No se requieren bombas de circulación Tuberías pequeñas | Se requieren bombas de circulación Tuberías grandes | Se requieren bombas de circulación Tuberías aún más grandes |
| Fácil de controlar con válvulas de dos vías | Más complejo de controlar: pueden requerirse válvulas de tres vías o de presión diferencial | Más complejo de controlar: pueden requerirse válvulas de tres vías o de presión diferencial |
| La reducción de temperatura es fácil mediante una válvula reductora | La reducción de temperatura es más difícil | La reducción de temperatura es más difícil |
| Se requieren trampas de vapor | No se requieren trampas de vapor | No se requieren trampas de vapor |
| Se debe manejar el condensado | Sin manejo de condensado | Sin manejo de condensado |
| Vapor flash disponible | Sin vapor flash | Sin vapor flash |
| Purga de caldera necesaria | Sin purga necesaria | Sin purga necesaria |
| Se requiere tratamiento de agua para prevenir la corrosión | Menos corrosión | Corrosión insignificante |
| Tuberías razonables requeridas | Medio penetrante, juntas soldadas o bridadas habituales | Medio muy penetrante, juntas soldadas o bridadas habituales |
| Sin riesgo de incendio | Sin riesgo de incendio | Riesgo de incendio |
| Sistema muy flexible | Sistema menos flexible | Sistema inflexible |
Los beneficios del vapor - un resumen
Tabla 1.1.2 Beneficios del vapor
| Beneficios inherentes | Beneficios del sistema |
|---|---|
| El agua está fácilmente disponible El agua es barata El vapor es limpio y puro El vapor es intrínsecamente seguro El vapor tiene un alto contenido de calor El vapor es fácil de controlar debido a la relación presión/temperatura El vapor cede su calor a temperatura constante | Tuberías de diámetro pequeño, tamaño compacto y menos peso Sin bombas, sin equilibrado Válvulas de dos puertos: más baratas Costes de mantenimiento menores que para plantas dispersas El coste de capital es menor que para plantas dispersas Productos compatibles con SCADA Automatización; las salas de calderas completamente automatizadas cumplen requisitos como PM5 y PM60 en el Reino Unido Bajo ruido Tamaño de planta reducido (en comparación con el agua) Longevidad del equipo Las calderas disfrutan de elección flexible de combustible y tarifa Los sistemas son flexibles y fáciles de ampliar |
| Factores ambientales | Usos |
| Eficiencia de combustible de las calderas Gestión del condensado y recuperación de calor El vapor puede medirse y gestionarse Vínculos con CHP/calor residual El vapor tiene sentido ambiental y económico | El vapor tiene muchos usos: enfriadores, bombas, ventiladores, humidificación Esterilización Calefacción de espacios Gama de industrias |