El circuito de vapor y condensado

¿Cómo se genera el vapor, se distribuye, se controla y se utiliza? ¿Cómo se recicla el condensado? Una visión general básica de un sistema de vapor.

Este Módulo del circuito de vapor y condensado tiene como objetivo proporcionar una visión general breve y no técnica de la planta de vapor. Ofrece una explicación general de cómo las diferentes partes de la planta de vapor se relacionan entre sí, y representa una lectura útil para cualquiera que no esté familiarizado con el tema, antes de pasar al siguiente Bloque, o, de hecho, antes de emprender cualquier forma de estudio detallado de la teoría del vapor o el equipo de la planta de vapor.

La sala de calderas

La caldera La caldera es el corazón del sistema de vapor. La caldera prefabricada moderna típica es alimentada por un quemador que envía calor a los tubos de la caldera. Los gases calientes del quemador pasan hacia adelante y hacia atrás hasta 3 veces a través de una serie de tubos para obtener la máxima transferencia de calor a través de las superficies de los tubos al agua circundante de la caldera. Una vez que el agua alcanza la temperatura de saturación (la temperatura a la que hervirá a esa presión), se producen burbujas de vapor que suben a la superficie del agua y estallan. El vapor se libera al espacio superior, listo para entrar en el sistema de vapor. La válvula de corte o corona aísla la caldera y su presión de vapor del proceso o la planta. Si el vapor está presurizado, ocupará menos espacio. Las calderas de vapor generalmente operan bajo presión, para que se pueda producir más vapor por una caldera más pequeña y transferirse al punto de uso usando tuberías de diámetro pequeño. Cuando se requiere, la presión del vapor se reduce en el punto de uso. Siempre que la cantidad de vapor producida en la caldera sea tan grande como la que sale, la caldera permanecerá presurizada. El quemador operará para mantener la presión correcta. Esto también mantiene la temperatura correcta del vapor, porque la presión y temperatura del vapor saturado están directamente relacionadas. La caldera tiene una serie de accesorios y controles para asegurar que opere de manera segura, económica, eficiente y a una presión constante. Agua de alimentación La calidad del agua que se suministra a la caldera es importante. Debe estar a la temperatura correcta, generalmente alrededor de 80 °C, para evitar el choque térmico a la caldera, y para mantenerla operando eficientemente. También debe ser de la calidad correcta para evitar daños a la caldera. El agua potable ordinaria sin tratar no es enteramente adecuada para las calderas y puede hacer rápidamente que espumen y se incrusten. La caldera se volvería menos eficiente y el vapor se volvería sucio y húmedo. La vida útil de la caldera también se reduciría. El agua debe tratarse con productos químicos para reducir las impurezas que contiene. Tanto el tratamiento del agua de alimentación como el calentamiento tienen lugar en el tanque de alimentación, que generalmente está situado alto sobre la caldera. La bomba de alimentación añadirá agua a la caldera cuando sea necesario. Calentar el agua en el tanque de alimentación también reduce la cantidad de oxígeno disuelto en ella. Esto es importante, ya que el agua oxigenada es corrosiva. Purga La dosificación química del agua de alimentación de la caldera llevará a la presencia de sólidos suspendidos en la caldera. Estos inevitablemente se recolectarán en el fondo de la caldera en forma de lodo, y se eliminan mediante un proceso conocido como purga de fondo. Esto puede hacerse manualmente: el operario de la caldera usará una llave para abrir una válvula de purga por un período de tiempo establecido, generalmente dos veces al día. Otras impurezas permanecen en el agua de la caldera después del tratamiento en forma de sólidos disueltos. Su concentración aumentará a medida que la caldera produce vapor y, por lo tanto, la caldera necesita purgarse regularmente de parte de su contenido para reducir la concentración. Esto se llama control de sólidos disueltos totales (control TDS). Este proceso puede realizarse por un sistema automático que usa una sonda dentro de la caldera, o una pequeña cámara de sensor que contiene una muestra del agua de la caldera, para medir el nivel de TDS en la caldera. Una vez que el nivel de TDS alcanza un punto de ajuste, un controlador señala a la válvula de purga que se abra por un período de tiempo establecido. El agua perdida se reemplaza por agua de alimentación con una concentración de TDS más baja, por lo tanto el TDS general de la caldera se reduce. Control de nivel Si el nivel de agua dentro de la caldera no se controlara cuidadosamente, las consecuencias podrían ser catastróficas. Si el nivel de agua baja demasiado y los tubos de la caldera quedan expuestos, los tubos de la caldera podrían sobrecalentarse y fallar, causando una explosión. Si el nivel de agua se vuelve demasiado alto, el agua podría entrar en el sistema de vapor y perturbar el proceso. Por esta razón, se usan controles automáticos de nivel. Para cumplir con la legislación, los sistemas de control de nivel también incorporan funciones de alarma que operarán para apagar la caldera y alertar si hay un problema con el nivel de agua. Un método común de control de nivel es usar sondas que detectan el nivel de agua en la caldera. A cierto nivel, un controlador enviará una señal a la bomba de alimentación que operará para restaurar el nivel de agua, apagándose cuando se alcance un nivel predeterminado. La sonda incorporará niveles a los que la bomba se enciende y apaga, y a los que se activan las alarmas de nivel bajo o alto. Los sistemas alternativos usan flotadores.

El flujo de vapor a la planta

Cuando el vapor se condensa, su volumen se reduce drásticamente, lo que resulta en una reducción localizada de la presión. Esta caída de presión a través del sistema crea el flujo de vapor a través de las tuberías. El vapor generado en la caldera debe transportarse a través de las tuberías hasta el punto donde se necesita su energía térmica. Inicialmente habrá una o más tuberías principales o líneas maestras de vapor que transportan vapor desde la caldera en la dirección general de la planta de uso de vapor. Tuberías de derivación más pequeñas pueden entonces distribuir el vapor a los equipos individuales. El vapor a alta presión ocupa un volumen menor que a presión atmosférica. Cuanto mayor es la presión, menor es el diámetro de tubería requerido para la distribución de una masa dada de vapor. Calidad del vapor Es importante asegurar que el vapor que sale de la caldera se entregue al proceso en las condiciones correctas. Para lograr esto, la tubería que transporta el vapor por la planta normalmente incorpora filtros, separadores y trampas de vapor. Un filtro es una forma de colador en la tubería. Contiene una malla a través de la cual debe pasar el vapor. Cualquier residuo que pase será retenido por la malla. Un filtro debe limpiarse regularmente para evitar bloqueos. Los residuos deben eliminarse del flujo de vapor porque pueden ser muy dañinos para la planta, y también pueden contaminar el producto final. El vapor debe estar lo más seco posible para asegurar que transporta calor eficazmente. Un separador es un cuerpo en la tubería que contiene una serie de placas o deflectores que interrumpen el camino del vapor. El vapor golpea las placas, y cualquier gota de humedad en el vapor se recoge en ellas, antes de drenar desde la parte inferior del separador. El vapor pasa de la caldera a las líneas maestras de vapor. Inicialmente la tubería está fría y el calor se transfiere a ella desde el vapor. El aire que rodea las tuberías también es más frío que el vapor, por lo que la tubería comenzará a perder calor al aire. El aislamiento instalado alrededor de la tubería reducirá considerablemente esta pérdida de calor. Cuando el vapor del sistema de distribución entra en los equipos de uso de vapor, el vapor cederá nuevamente energía mediante: a) calentar el equipo y b) continuar transfiriendo calor al proceso. A medida que el vapor pierde calor, se convierte nuevamente en agua. Inevitablemente el vapor comienza a hacer esto tan pronto como sale de la caldera. El agua que se forma se conoce como condensado, que tiende a correr al fondo de la tubería y se transporta con el flujo de vapor. Esto debe eliminarse de los puntos más bajos en la tubería de distribución por varias razones:

• El condensado no transmite calor eficazmente. Una película de condensado dentro de la planta reducirá la eficiencia con la que se transfiere el calor.
• Cuando el aire se disuelve en el condensado, se vuelve corrosivo.
• El condensado acumulado puede causar golpes de ariete ruidosos y dañinos.
• Un drenaje inadecuado conduce a juntas con fugas. Un dispositivo conocido como trampa de vapor se usa para liberar condensado de la tubería mientras evita que el vapor escape del sistema. Puede hacer esto de varias maneras:
• Una trampa de flotador usa la diferencia de densidad entre el vapor y el condensado para operar una válvula. A medida que el condensado entra en la trampa, un flotador se eleva y el mecanismo de palanca del flotador abre la válvula principal para permitir que el condensado drene. Cuando el flujo de condensado se reduce, el flotador baja y cierra la válvula principal, evitando así la escape de vapor.
• Las trampas termodinámicas contienen un disco que se abre al condensado y se cierra al vapor.
• En las trampas termostáticas bimetálicas, un elemento bimetálico usa la diferencia de temperatura entre el vapor y el condensado para operar la válvula principal.
• En las trampas termostáticas de presión equilibrada, una pequeña cápsula llena de líquido sensible al calor opera la válvula. Una vez que el vapor se ha empleado en el proceso, el condensado resultante necesita drenarse de la planta y devolverse a la sala de calderas. Este proceso se considerará más adelante en este Módulo. Reducción de presión Como se mencionó antes, el vapor generalmente se genera a alta presión, y la presión puede tener que reducirse en el punto de uso, ya sea por las limitaciones de presión de la planta, o las limitaciones de temperatura del proceso. Esto se logra usando una válvula reductora de presión.

El vapor en el punto de uso

Existe una gran variedad de plantas de uso de vapor. A continuación se describen algunos ejemplos:

• Marmita con camisa - Grandes marmitas de acero o cobre usadas en la industria alimentaria y otras para hervir sustancias: cualquier cosa desde gambas hasta mermelada. Estas grandes marmitas están rodeadas por una camisa llena de vapor, que actúa para calentar el contenido.
• Autoclave - Una cámara llena de vapor usada para fines de esterilización, por ejemplo equipos médicos, o para realizar reacciones químicas a altas temperaturas y presiones, por ejemplo el curado de caucho.
• Batería de calefacción - Para calefacción de espacios, se suministra vapor a las serpentinas en una batería de calefacción. El aire a calentar pasa sobre las serpentinas.
• Calentamiento de tanques de proceso - Una serpentina llena de vapor en un tanque de líquido usada para calentar el contenido a la temperatura deseada.
• Vulcanizadora - Un recipiente grande lleno de vapor usado para curar caucho.
• Onduladora - Una serie de rodillos calentados con vapor usados en el proceso de ondulación en la producción de cartón.
• Intercambiador de calor - Para calentar líquidos para uso doméstico/industrial. Control del proceso Cualquier planta de uso de vapor requerirá algún método para controlar el flujo de vapor. Un flujo constante de vapor a la misma presión y temperatura a menudo no es lo que se requiere: se necesitará un flujo gradualmente creciente en el arranque para calentar suavemente la planta, y una vez que el proceso alcanza la temperatura deseada, el flujo debe reducirse. Las válvulas de control se usan para controlar el flujo de vapor. El actuador, ver Figura 1.3.6, es el dispositivo que aplica la fuerza para abrir o cerrar la válvula. Un sensor monitorea las condiciones en el proceso y transmite información al controlador. El controlador compara la condición del proceso con el valor de ajuste y envía una señal correctora al actuador, que ajusta la configuración de la válvula.

Existen varios tipos de control:

• Válvulas actuadas neumáticamente - Se aplica aire comprimido a un diafragma en el actuador para abrir o cerrar la válvula.
• Válvulas actuadas eléctricamente - Un motor eléctrico actúa la válvula.
• Autoactivada - No hay controlador como tal; el sensor tiene un llenado líquido que se expande y contrae en respuesta a un cambio de temperatura del proceso. Esta acción aplica fuerza para abrir o cerrar la válvula.

Eliminación de condensado de la planta

A menudo, el condensado que se forma se drena fácilmente de la planta a través de una trampa de vapor. El condensado entra en el sistema de drenaje de condensado. Si está contaminado, probablemente se enviará al desagüe. Si no, la valiosa energía térmica que contiene puede retenerse devolviéndola al tanque de alimentación de la caldera. Esto también ahorra en agua y costes de tratamiento de agua. A veces puede formarse un vacío dentro de la planta de uso de vapor. Esto obstaculiza el drenaje del condensado, pero un drenaje adecuado del espacio de vapor mantiene la efectividad de la planta. Entonces el condensado puede tener que bombearse fuera. Las bombas mecánicas (alimentadas por vapor) se usan para este propósito. Estas, o bombas alimentadas eléctricamente, se usan para elevar el condensado de regreso al tanque de alimentación de la caldera.

Una bomba mecánica, ver Figura 1.3.7, se muestra drenando un elemento de planta. Como puede verse, el sistema de vapor y condensado representa un circuito continuo.

Una vez que el condensado llega al tanque de alimentación, está disponible para la caldera para su reciclaje. Monitoreo de energía ****En el entorno energéticamente consciente de hoy, es común que los clientes monitoreen el consumo de energía de su planta. Los caudalímetros de vapor se usan para monitorear el consumo de vapor, y se usan para asignar costes a departamentos individuales o elementos de planta.