LA EFICIENCIA ENERGETICA EN REDES DE VAPOR

FUNDAMENTOS DEL USO DEL VAPOR COMO FLUIDO ENERGÉTICO

 
Desde hace muchísimos años, el vapor de agua viene siendo el fluido térmico
más ampliamente utilizado. La generalización de su empleo está basada en un
conjunto de características singulares que le convierten en prácticamente insustituible.
De entre las características que lo sitúan en el lugar que ocupa cabe destacar
las siguientes:
-- Materia prima barata y de elevada disponibilidad
-- Amplio rango de temperaturas de empleo
-- Ininflamable y no tóxico
-- Fácilmente transportable por tubería
-- Elevado calor de condensación
-- Elevado calor específico
-- Temperatura 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.
Su elevado calor latente y su baja densidad hacen que el vapor de agua sea especialmente efectivo en las operaciones de calentamiento.
En la práctica, su empleo se extiende a un número muy elevado de procesos industriales.  

CAMBIOS ENERGÉTICOS EN EL PROCESO DE EMPLEO DEL VAPOR

 
El vapor empleado como fluido energético se caracteriza por ser capaz de transportar energía entre dos puntos en forma de entalpía.
El vapor se produce, a partir de agua, en un generador o caldera en el que aumenta su entalpía a costa habitualmente del calor de combustión de un combustible
y una vez en el punto de utilización pierde esta entalpía cediéndola o bien hacia el medio a calefactar, o bien mediante transformación en energía mecánica como por ejemplo en una turbina.
En una instalación de vapor se producen cambios energéticos caracterizados por sus correspondientes ganancias y pérdidas entálpicas en toda la banda que cubre desde agua líquida a cualquier temperatura hasta vapor sobrecalentado también a cualquier temperatura y viceversa, pasando por todos los estados intermedios caracterizados por calentamiento y enfriamiento de las fases líquido y vapor así como los cambios de fase.
A la hora de diseñar y dimensionar una instalación de vapor es muy importante
comprender muy bien todos estos cambios así como las características y leyes
por las que se rigen.

ESTADOS DE UN VAPOR Y CONDICIONES DE USO

 
Lo primero que es preciso comprender a la hora de enfrentarse a una instalación de vapor son los diferentes estados que puede presentar el agua confinada en una red de generación y distribución de vapor así como las características que definen a cada uno de estos estados.

Inicialmente se pueden definir dos estados básicos:

-- Líquido
-- Vapor

Estas dos definiciones no son suficientes para estudiar el comportamiento del agua, sino que hay que ahondar más en cada una de ellas.
El estado líquido se puede subdividir en dos situaciones; de esta manera cuando el líquido se encuentra por debajo del punto de ebullición se habla habla de líquido subenfriado y cuando se encuentra en el punto de ebullición se habla de líquido saturado.

A su vez el estado vapor puede subdividirse en dos situaciones; de esta manera cuando el vapor está a la temperatura de ebullición se trata de vapor saturado y cuando se encuentra por encima del punto de ebullición se trata de vapor sobrecalentado.
Además, en la situación de vapor saturado, todavía hay que afinar más si se tiene en cuenta que esta situación se presenta en un margen muy estrecho y por lo tanto puede cursar, y de hecho lo hace, con mezcla de vapor y agua en distintas proporciones por lo que un vapor saturado puede ser seco o húmedo con distintos grados de humedad que vienen definidos por un parámetro que se denomina título del vapor y que representa el porcentaje de fase vapor frente a la mezcla vapor-agua.
En el sistema agua-vapor de agua aparecen todos estos estados en los distintos puntos que constituyen los elementos de la red de generación y distribución de vapor.
La situación puntual existente en cada momento depende de las condiciones de Presión y Temperatura a las que esté sometido.

El siguiente diagrama ilustra las distintas zonas en función de las dos variables P y T. Corresponde con el diagrama P-T de fases para el agua al que se ha eliminado la zona por debajo de 0°C que corresponde básicamente con la zona del sólido y que en el contexto de este manual presenta un escaso interés.

Existe una curva que marca el cambio de fase entre líquido y vapor. En los puntos de esta línea se pueden encontrar, desde líquido saturado pasando por vapor húmedo con diferentes títulos (x) de 0 a 100%, hasta vapor saturado seco.
Esta línea se denomina línea de equilibrio de fases. 

Presenta dos puntos característicos:
Punto Triple. En él coexisten las tres fases, sólido, líquido y vapor. Se localiza
a 0,01°C y 0,006112 bar de presión absoluta.
Punto Crítico. Por encima de la temperatura de este punto, no es posible obtener el cambio de fase mediante la variación de presión a Tª constante. Se
localiza aproximadamente a 374°C y 221 bar de presión absoluta.
Por encima y por debajo de la curva se presentan dos zonas:
-- Zona del líquido. En esta zona el agua presentará el estado líquido subenfriado.
-- Zona del vapor. En esta zona encontramos el estado de vapor sobrecalentado.
El paso de unas zonas a otras puede efectuarse mediante la variación de cualquiera de las dos variables manteniendo la otra constante o mediante variación de ambas al mismo tiempo siempre que la situación esté por debajo del punto crítico.
Cada punto de este diagrama viene caracterizado por un contenido energético específico en términos de entalpía especifica (h) y que es una función de las dos variables anteriormente citadas P y T que caracterizan la situación específica de ese punto: h(P,T).
Por convención, se asigna el origen de entalpías, o sea h=0, a las condiciones del punto triple del agua. Todos los valores de h vendrán pues referenciados a este punto.
Los valores de entalpía específica de cada pareja de puntos P y V se encuentran tabulados y también expresados en forma de un gráfico ampliamente extendido que se conoce como Diagrama de Mollier. Es un diagrama que representa entalpía frente a entropía, pudiéndose obtener de él, las propiedades termodinámicas del agua en cualquiera de sus estados y situaciones.

LA DISTRIBUCIÓN Y EMPLEO DEL VAPOR

 
El empleo del vapor como fluido térmico lleva implícito un esquema básico consistente en un punto de generación, un punto de utilización y entre ellos debe disponerse de una red de tuberías que los enlazan y son el medio de transporte de un punto al otro.
A continuación se va a tratar este sistema básico algo más desarrollado.
La obtención de vapor se realiza mediante un generador que habitualmente suele ser una caldera que emplea combustible químico para producir una temperatura suficiente como para elevar la entalpía del agua con la que se alimenta hasta el valor requerido por el sistema. El agua entra en la caldera en forma de líquido subenfriado o saturado y sale de la misma en forma de vapor saturado o recalentado.
A la salida de caldera, el vapor hay que conducirlo mediante una red de tuberías adecuadas y que permita disponer del mismo en el punto de utilización.
Una vez en el punto de utilización, se extrae su entalpía mediante intercambio
de calor. Es importante comprender la forma de aprovechamiento de la entalpía que transporta el vapor. Se ha visto en apartados anteriores la elevada entalpía de condensación que tiene como propiedad el vapor. Pues bien, precisamente esta característica es una de las fundamentales sobre las que se basa el empleo del vapor y como tal debe emplearse correctamente. De esta manera la transferencia de calor en el punto de utilización debe basarse en aprovechar correctamente esta entalpía de condensación para que a la salida del equipo intercambiador se obtenga líquido saturado o subenfriado. De esta manera se habrá aprovechado la entalpía de condensación a Tª constante. 

Esta forma de funcionar conlleva que al final se obtendrá agua a una temperatura similar a la del vapor saturado que se podrá aprovechar para alimentar a la caldera y de esta manera evitar el consumo energético de combustible que supone elevar el agua de caldera desde la temperatura de red hasta la de ebullición en caldera. Igualmente se evitará el consumo de reactivos que supone adecuar el agua de red a los parámetros químicos exigidos en entrada de caldera.
Este tipo de aprovechamiento de entalpía latente a Tª constante cursa con descenso de la presión y le confiere a la red de distribución de vapor una peculiaridad especial y es que debido a diferencia de presiones de las dos redes, el fluido fluye sin necesidad de equipos de bombeo, reduciendo los elementos de bombeo del fluido térmico a las bombas de ingreso de condensados en caldera, con la consiguiente reducción de costes de instalación y mantenimiento.
Se concluye pues, que en una instalación de vapor existe un generador, un punto de utilización y una red con dos ramales, uno de distribución de vapor y otro de retorno de condensados a caldera, todo ello en circuito cerrado.
A partir de este momento se va a hacer referencia, dentro de la red, a dos circuitos: el circuito de vapor y el circuito de condensados.
Un ejemplo sencillo de una red típica de distribución de vapor en los términos que hemos descrito puede verse en la siguiente figura:

 

ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR

 
Una red de distribución de vapor, en principio está compuesta, al igual que cualquier red de distribución de un fluido, por tuberías y accesorios de tubería.
Sin embargo, los cambios de fase en los que se basa el empleo de este tipo de redes, hacen necesario el empleo de determinados elementos en la red que son muy específicos de este tipo de sistemas.
La propia naturaleza y comportamiento del vapor, hace que los elementos constitutivos de la red tengan que presentar unas características específicas en relación con el comportamiento frente a la temperatura y la presión que han de soportar. Además deben presentar determinadas características frente a la abrasión debido, como se verá más adelante, a las altas velocidades que se manejan en este tipo de redes.
Por otra parte, al manejar un fluido a muy elevada temperatura, toda la red debe estar provista del aislamiento térmico adecuado que evite fugas térmicas
que son causa de ineficiencia de la instalación.
Existen dos hechos que obligan al empleo de accesorios específicos en las redes de vapor:

-- Presencia de aire
-- Presencia de condensados

La presencia de aire mezclado con el vapor es una situación indeseable debido
a la pérdida de eficiencia. El aire, debido a su bajo calor específico y mala transmisión
térmica, rebaja notablemente la eficiencia de intercambio del vapor. Esta situación obliga al empleo de separadores o purgadores de aire en las redes de
vapor que garanticen la ausencia de aire mezclado con el vapor. La incorporación de aire en la red es una situación bastante frecuente sobre todo en redes que trabajan intermitentemente; al enfriarse, absorben aire debido a la contracción del fluido que se produce acompañando a su enfriamiento.
La presencia de condensados es inherente al propio proceso de uso del vapor y
se produce cuando el vapor entra en contacto con puntos fríos del sistema, tanto a nivel de tuberías de distribución como en el propio proceso de intercambio de calor en los puntos de utilización.
La presencia de condensados se produce especialmente en los momentos de arranque y paro de la instalación. Cuando se arranca la instalación y se da paso de vapor hacia la red, ésta está fría y el vapor en contacto con las tuberías condensa en tanto en cuanto no se calientan dichas tuberías y se alcanzan las temperaturas de régimen de equilibrio. Una vez estabilizado el régimen térmico en la instalación, sigue produciéndose condensación debido a pérdidas térmicas en zonas no aisladas o con mal aislamiento e incluso, aunque en mucha menor medida, en las zonas aisladas, dado que los aislamientos no son absolutamente perfectos.
La presencia de condensados debe de estar restringida al circuito de condensados y es indeseable en el circuito de vapor. La razón es obvia, el condensado en el circuito de vapor, debido a su naturaleza liquida, tiende a ocupar las partes bajas de las tuberías. Las altas velocidades alcanzadas por el vapor arrastran el condensado produciendo ruido, abrasión, golpes de ariete, etc. Estas razones hacen que sea necesario evitar el condensado en esta zona de la red de distribución.
Para ello se utilizan accesorios específicos que básicamente consisten en:

-- Separadores de gotas
-- Purgadores
-- Eliminadores de aire  

El Diseño Eficientemente Energético de una red de distribución de vapor ayuda a diseñar redes de vapor energéticamente eficientes. Para ello es preciso fijar especial atención sobre una serie de puntos fundamentales a la hora de realizar el diseño: 

Realizar un correcto diseño hidráulico de la red de distribución y sus accesorios significa disponer del vapor en los distintos puntos de utilización en las condiciones necesarias, sin gastos energéticos inútiles y con la mínima inversión en instalación.

Realizar un correcto diseño de la red de recuperación de condensados significa aprovechar la energía residual del condensado y disminuir los costes de inversión en instalación y operación. 

Realizar un correcto diseño de los sistemas de aislamiento térmico de toda la red significa transportar la energía desde el punto de generación hasta el de utilización con las mínimas perdidas energéticas por el camino y con la mínima inversión en instalación. 

Introducir en el diseño las tecnologías más avanzadas que permitan mejorar la eficiencia del diseño significa aprovechar las oportunidades de recuperación energética que estén tecnológicamente disponibles.

EL DISEÑO DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR

 
Debido a todos los cambios que se producen en el fluido, el diseño de una red de vapor exige una serie de cuidados especiales en orden a evitar efectos indeseables durante su utilización, tales cómo los que a continuación se relacionan:

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.
Las gotas de condensado acumuladas a lo largo de la tubería, acaban formando una bolsa ‘líquida’ de agua que será arrastrada por la tubería a la velocidad del vapor. Un esquema de este efecto se muestra en la figura siguiente: 

 

Esta bolsa de agua es incompresible y, cuando discurre a una velocidad elevada, tiene una energía cinética considerable.
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.
Normalmente se produce un ruido de golpe, que puede ir acompañado del movimiento de la tubería. En casos serios, los accesorios pueden incluso romperse con un efecto casi explosivo, con la consecuente pérdida de vapor vivo en la rotura, creando una situación peligrosa.
Afortunadamente, el golpe de ariete se puede evitar si se toman las medidas oportunas para que no se acumule el condensado en la tubería.
Evitar el golpe de ariete es una alternativa mejor que intentar contenerlo eligiendo buenos materiales, y limitando la presión de los equipos.
Las fuentes de problemas de golpe de ariete suelen estar en los puntos bajos de la tubería. Tales áreas son:

-- Pandeos en la línea.
-- Uso incorrecto de reductores concéntricos y filtros. Por este motivo, en las líneas de vapor es preferible montar filtros con la cesta horizontal.
-- Purga inadecuada en líneas de vapor.

La figura siguiente muestra unos esquemas de típicas fuentes de golpe de ariete. 

 

De forma resumida, para minimizar las posibilidades de golpe de ariete:

-- Las líneas de vapor deben montarse con una inclinación descendente en la dirección del flujo.
-- Los puntos de purga deben instalarse a intervalos regulares y en los puntos bajos.
-- Deben montarse válvulas de retención después de los purgadores, ya que de otro modo se permitiría que el condensado se introdujera de nuevo en la línea de vapor o la planta durante las paradas.
-- Las válvulas de aislamiento deben abrirse lentamente para permitir que el condensado que haya en el sistema pueda fluir sin brusquedad hacia los purgadores, antes de que el vapor a gran velocidad lo arrastre. Esto es especialmente importante en la puesta en marcha.

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 en cabeza de instalación.
Resumiendo, cuando se selecciona la presión de trabajo, se debe tener en cuenta 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 a baja 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 intercambio menor. 

-- 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 en cualquier aumento de presión.
-- La capacidad de almacenamiento térmico de la caldera aumenta.

Como contrapartida ocurrirá que al elevar la presión del vapor, los costes serán
más altos también, pues para ello se requiere más combustible, por lo que siempre es prudente comparar los costes que representan elevar la presión del
vapor a la máxima presión necesaria con cada uno de los beneficios potenciales mencionados anteriormente.
Si se distribuye a altas presiones, será necesario reducir la presión de vapor en
cada zona o punto de utilización del sistema, con el fin de que se ajuste a lo que la aplicación requiere.
El método más común de reducir la presión es la utilización de una estación reductora de presión.

Tuberías
Probablemente el estándar de tuberías más común sea el derivado del American Petroleum Institute (API), donde las tuberías se clasifican según el espesor de pared de tubería, llamado Schedule.
Estos Schedules están relacionados con la presión nominal de la tubería, y son un total de once, comenzando por 5 y seguido de 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140, hasta el Schedule 160. Para tuberías de diámetro nominal 150 mm y menores, el Schedule 40 (denominado a veces ‘standard weight’), es el más ligero de los especificados. Sólo los Schedule 40 y 80 cubren la gama completa de medidas nominales desde 15 mm hasta 600 mm y son los Schedule Utilizados más comúnmente para instalaciones de tuberías de vapor.
Se pueden obtener las tablas de los Schedule en el BS 1600, que se usa como referencia para la medida nominal de la tubería y el espesor de la misma en milímetros. La tabla muestra un ejemplo de diámetros de distintas medidas de tubería, para distintos Schedule. En Europa las tuberías se fabrican según la norma DIN por lo que se incluye la tubería DIN 2448 en la tabla.

 

Dimensionado de tuberías

 
Sobredimensionar las tuberías significa que:

-- Las tuberías serán más caras de lo necesario.
-- Se formará un mayor volumen de condensado a causa de las mayores pérdidas de calor.
-- La calidad de vapor y posterior entrega de calor será más pobre, debida al mayor volumen de condensado que se forma.
-- Los costes de instalación serán mayores.

Subdimensionar las tuberías significa que:

-- 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.
-- El volumen de vapor será insuficiente en el punto de utilización.
-- Habrá un mayor riesgo de erosión, golpe de ariete y ruidos, a causa del aumento de velocidad. 

Derivaciones
Las derivaciones transportarán el vapor más seco siempre que las conexiones tomen el vapor de la parte superior de la tubería principal. Si la toma es lateral, o peor aún, de la parte inferior, transportarán el condensado, comportándose como un pozo de goteo. El resultado de esto es un vapor muy húmedo que llega a los equipos.

 

Filtros
Hay que tener en cuenta que en toda tubería por la que circula un fluido, éste arrastra consigo partículas de todo tipo:
-- En el caso de tuberías nuevas, estas partículas pueden proceder de fragmentos de arena de la fundición, del embalaje, virutas metálicas del mecanizado, trozos de varilla de soldar, tuercas y tornillos de montaje.
-- En el caso de tuberías viejas tendremos óxido, y en zonas de aguas duras, depósitos de carbonatos.
Todas estas partículas arrastradas por el vapor a elevadas velocidades, producen en los equipos abrasión y atascos que pueden dejarlos inutilizados de forma permanente.
Por lo tanto, lo más conveniente es montar un simple filtro en la tubería delante de cada purgador, aparato de medida, válvula reductora y válvula de control.
La sección de un filtro típico se muestra es la figura siguiente:

 

Purgadores
La utilización de purgadores es el método más eficaz de drenar el condensado de un sistema de distribución de vapor.
Los purgadores usados para drenar la línea deben ser adecuados para el sistema, y tener la capacidad suficiente para evacuar la cantidad de condensado que llegue a ellos, bajo las presiones diferenciales presentes en cada momento. 

La especificación de un purgador para una línea de distribución debe considerar ciertos aspectos.

-- El purgador debe descargar en una banda muy próxima a la temperatura de saturación. Esto significa que a menudo la elección está entre purgadores mecánicos, como los de boya o de cubeta invertida, y los purgadores termodinámicos.
-- Cuando las tuberías discurren por el exterior de edificios y existe la posibilidad de heladas, el purgador termodinámico es el más adecuado porque, aunque se pare la línea y se produzcan heladas, el purgador termodinámico se descongela sin sufrir daños cuando se vuelve a poner en marcha la instalación.
-- Los purgadores de boya son la primera elección para evacuar el condensado de los separadores porque alcanzan altas capacidades de descarga y su respuesta es casi inmediata a los aumentos rápidos de caudal.
-- Los purgadores termodinámicos son también adecuados para purgar líneas de gran diámetro y longitud, especialmente cuando el servicio es continuo.
Los daños causados por las heladas son, en consecuencia, menos probables.
Para resumir esta sección hay observar estas simples reglas:
-- Deben instalarse las tuberías de manera que desciendan en la dirección del lujo, con una pendiente no inferior a 40 mm por cada 10 m de tubería.
-- Las líneas de vapor deben purgarse a intervalos regulares de 30 - 50 m, así como en cualquier punto bajo del sistema.
-- Para instalar un punto de purga en un tramo recto de tubería, deberá utilizarse unpozo de goteo de gran tamaño, que pueda recoger el condensado.

(ver figura).

 

-- La tubería debe montarse de manera que haya el mínimo de puntos bajos donde se pueda acumular el agua. Si se montan filtros, deben montarse con la cesta en posición horizontal.
-- Las conexiones de las derivaciones deben partir de la parte superior de la línea, para tomar el vapor lo más seco posible.
-- Las reducciones de diámetro deben ejecutarse con acoplamientos asimétricos.

 

Debe considerarse la instalación de un separador antes de cualquier equipo que utilice el vapor, para asegurar que recibe vapor seco.

-- Los purgadores elegidos deben ser robustos para evitar el riesgo de daños por golpe de ariete, y ser apropiados para su entorno (p. ej. heladas). 

Arturo Martín
CEO
Global Green Ingenieros S.L.
Edificio ARIETE.

Calle Innovacion, 6-8.

Parque Empresarial PISA
E41927 Mairena del Aljarafe.
Sevilla
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(www.grupoglobalgreen.es)