Caldera de vapor

PRÁCTICA − N 02
FUNCIONAMIENTO DE LA CALDERA DE VAPOR Y DETERMINACIÓN DEL TÍTULO DEL
VAPOR DE SALIDA DE LA CALDERA POR EL MÉTODO DE BORBOTEO.
• OBJETIVOS
Los objetivos de esta práctica son los siguientes:
− Conocer las operaciones de puesta en marcha y funcionamiento de una caldera de vapor; en este caso
de trata de un modelo de tubos verticales cuyo horno trabaja con un quemador de gas−oil.
− Conocer el funcionamiento del circuito de transporte del vapor, las razones de la reducción de la
presión del vapor y el funcionamiento de la válvula de purga de condensados
− Determinar el cabal másico de vapor con el que trabaja nuestra instalación
− Determinar el título del condensado de salida de la válvula de purga por el método de borboteo.
• fundamento
La caldera de vapor es un elemento indispensable en la gran mayoría de las Plantas Industriales
Químicas (además de en otros sectores de la industria). Esto es por las innegables ventajas
técnicas y económicas que ofrece el vapor de agua como agente de calefacción: desde la
facilidad de obtención y manejo de la materia prima de partida, el agua (es inocua e
incombustible), hasta las óptimas propiedades físico−químicas del vapor de agua (el calor latente
de condensación del vapor de agua es el mayor que se conoce). Dentro del campo de calefacción
de procesos desde 100 hasta 200 ºC, el vapor de agua no tiene rival.
El vapor de agua de salida de la caldera es VAPOR SATURADO, es decir, en equilibrio con el
agua líquida a la presión de trabajo. El vapor saturado es idóneo para calefacción, ya que está
listo para ceder el calor latente de condensación, licuándose en un serpentín o camisa exterior de
calefacción de una determinada unidad de proceso.
El vapor saturado, al avanzar por las tuberías hasta el punto de utilización, sufre pérdidas de
calor al ambiente que se traducen en una condensación parcial en forma de microscópicas gotas
de agua que acompañan al vapor, formando una neblina. El resultado es el denominado VAPOR
HÚMEDO. En realidad, se puede considerar que todo vapor saturado que abandona la caldera
empieza, en mayor o menor grado, a ser vapor húmedo. La entalpía específica del vapor
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húmedo (y por tanto su capacidad calefactora), disminuyen con el aumento de la fracción
condensada. Un parámetro muy útil para evaluar la calidad de un vapor es el llamado TÍTULO
DEL VAPOR. El título del vapor (que se suele simbolizar con una X) es un parámetro
adimensional que se define por la siguiente fórmula:
El valor del título está comprendido entre 0 y 1. El valor 1 representa el 100 % de vapor
gaseoso, y el valor 0 representa el 100 % de agua líquida.
En el momento en que el vapor húmedo entra en el serpentín del aparato calefactor (donde se
producirá su condensación, cediendo el calor latente de vaporización), lo interesante a la
práctica es que su título sea lo más próximo a 1 posible. Para ello se procura calorifugar al
máximo la instalación de conducción de vapor desde la caldera.
La separación del vapor condensado (agua líquida a temperatura muy próxima a la de
condensación a la presión de trabajo) en el serpentín, del resto de vapor aún gaseoso, se verifica
gracias a la válvula de purga de condensados. En general, el condensado se conduce por una
tubería hacia el depósito de agua de alimentación a la caldera, cerrando el circuito. A la práctica,
lo que interesa es que la separación líquido/vapor en la válvula de purga sea lo más próxima al
100 %, es decir que el condensado tenga un título de 0 (que todo sea agua líquida). No obstante,
esto no se consigue a la práctica, sino que parte del vapor pasa con el líquido la válvula de
purga, y el título es superior a 0. Aquí es importante que el valor de X sea lo más próximo a 0
posible.
Las instrucciones de operación y mantenimiento preventivo de la caldera (indicadas por la
documentación del fabricante) deben ser estrictamente seguidas para conseguir la máxima
duración de las piezas y los instrumentos de ésta, y para trabajar en las máximas condiciones de
seguridad posible.
• SEGURidad y MEDIo AMBIENTe.
• En esta practica no se trabaja con reactivos peligrosos.
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• Hemos de tener en cuenta que corremos el riesgo de sufrir quemaduras al tocar la instalación
sin protección adecuada, ya que está a elevada temperatura.
• Vigilar con el vapor que quema!.
• Vigilar de no romper el material y trabajar siempre con la bata y las gafas puestas.
• MATERIAL
Tabla 1. Lista de material.
Cantidad
1
1
1
1
1
1
1
Elemento
Caldera de vapor
Recipiente plástico
Báscula o probeta
Soporte
Termómetro
Cronómetro
Vaso de precipit.
Características
Lab. ing. química
15L
1L
100ºC
600 mL
• REACTIvoS
Tabla 2. Lista de reactivos.
Producto
Agua
Calidad
Desmineralizada
Cantidad
12L
• PROCEDImiento EXPERIMENTAL
• resultados
Tabla 3 . resutados experimentales.
Variables
T1
T2
M1
M2
Valor experimental
21
40
12
13,92
Unidades
ºC
ºC
L
L
• cálculos
Cálculo del flujo másico de vapor ( W, en Kg/h) de trabajo:
(13,92 − 12) l 60 min. 1 Kg H2O
W= −−−−−−−−−−−−−−−−− X −−−−−−−−−−−−−−− X −−−−−−−−−−−−−−− = 33,408 Kg/h
25 min. 1 h 1 l H2O
Cálculo del título de vapor (X) en la tubería de condensados:
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(M2−12) [ H''1X + h'1(1−X) ] = 12 (T2−T1) + (M2−12) h'2
1.92 * (649.84 X + 128.05 − 128.05 X) = 12 * 19 + 1.92 * 100.26
1000.97 X + 245.86 = 228 + 192.50
1000.97 X = 174.64
X = 0.174
Preguntas adicionales
• Si el vapor de salida de la caldera está a 6 Kg/cm2 absolutos de presión ¿Que ventaja práctica representa
someter al vapor a una reducción de presión hasta 2´5 Kg/cm2 absolutos antes de entrar en el serpentín del
evaporador?
Al realizar esta reducción de presión el vapor se expande manteniendo la temperatura, cosa que hace que el
punto de condensación sea menor que a la presión anterior haciendo que si quedaban restos de agua líquida se
evaporen y así la fracción de vapor será mas elevada.
• La utilización, en las instalaciones industriales, de un circuito cerrado en el que el condensado retorna al
depósito de agua de alimentación a la caldera es debida a una estrategia de recuperación de energía
calorífica contenida en el agua condensada. ¿ Qué problema práctico relacionado con la corrosión puede
ocasionar en el circuito esta estrategia? ¿De qué forma se puede solventar?
Esta estrategia puede provocar incrustaciones de algunas sales de calcio y magnesio que lleva el agua en las
tuberías ya que su solubilidad mengua al aumentar la temperatura del agua. La solución sería hacer entrar en
el circuito agua desmineralizada para que no se produjeran estas incrustaciones o en mucho menor rapidez
alargando la vida de la instalación.
• DISCUSIÓn DE RESULTAdoS
• Podemos observar claramente por los resultados experimentales, que se ha retenido gran
cantidad de agua dentro del recipiente donde inicialmente teníamos los 12 litros de agua, en los
25 minutos del experimento.
• Al hacer pasar el vapor que salía del intercambiador de calor, ha incrementado la masa de
agua, aumentando la temperatura del agua. Esto sucede, ya que el agua y el vapor que nos sale
por la tubería de condensados, ceden calor al agua del recipiente que está a más baja
temperatura, haciendo condensar el vapor y reteniendo el agua que sale caliente de la tubería.
• El valor del título de vapor en la tubería de condensados es de 0.174, cosa que indica que una
gran parte de vapor se ha condensado, cediendo su calor en el intercambiador de calor.
• CONCLUSIONeS
En los 25 minutos que tenemos el circuito de vapor abierto, se observa que el agua que hay en el
intercambiador de calor se calienta y llega a ebullición gracias al calor cedido por el vapor que viene de
la caldera.
La fracción de vapor/líquido es muy pequeño, ya que el vapor cede su calor que tiene, pasando a líquido
y por las pérdidas de calor del circuito.
El recipiente en el que teníamos los 12 litros de agua, acaba teniendo 13,92 litros ya que todo el líquido
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y la mayoría del vapor que sale del circuito queda allí retenido haciendo incrementar la masas de agua
y también su temperatura.
• NOMENCLATURA
Tabla 4. Variables Físico − químicas
Variable
W
M1
M2
T1
T2
H''1
h'1
H'2
Magnitud
Flujo másico vapor
Masa inicial agua
Masa final agua
Temperatura inicial
Temperatura final
Entalpía especifica del vapor en las condiciones de condensación
Entalpía específica del líquido en las condiciones de condensación
Entalpía específica del líquido en las condiciones finales del proceso de
condensación
Unitats
Kg/h
Kg
Kg
ºC
ºC
Kcal/kg
Kcal/Kg
Kcal/kg
• BIBLIOGRAFIA
• Coulson y Richardson, INGENIERIA QUIMICA. OPERACIONES BÁSICAS . Ed. Reverté.
[2] M.Felder y W.Rousseau, principios elementales de los procesos químicos . Ed. Addison Wesley
Esperar hasta que opere en régimen estacionario
Abrir la válvula principal de salida de vapor
Encender la caldera siguiendo las instrucciones del fabricante
Abrir la llave de paso de la tubería en derivación del circuito de condensados
Medir la temperatura inicial del agua del recipiente
Preparar un recipiente de 15 L y vertir 12 l de agua descalcificada
Recoger el condensado en un espacio de 25 minutos
Poner en marcha el cronometro
Cerrar la llave de paso de la tubería principal del circuito de condensados
Deconectar el quemador siguiendo los pasos de paro de la caldera
Medir la temperatura del recipiente y pesarlo
Abrir la llave de la tubería principal y cerrar la del circuito de derivación
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