Equipos y partes que componen un sistema de vapor y condensado

A continuación, se ofrece una explicación general de cómo se relacionan entre sí los diferentes elementos y equipos de un sistema de vapor y condensado. Este artículo representa una lectura útil para cualquier técnico de planta o ingeniero que no esté familiarizado con las partes de un sistema de vapor.

 

La sala de calderas 

• La caldera

  La caldera es la parte más importante de todos los elementos de un sistema de vapor. La caldera compacta moderna típica está alimentada por un quemador que envía el calor a través de los tubos de la caldera.

  Los gases calientes del quemador pasan hacia atrás y hacia delante hasta 3 veces a través de un haz de tubos para obtener la máxima transferencia de calor al agua circundante a través de las superficies de los tubos 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 de agua, que se elevan a la superficie del agua y se rompen.

  El vapor se libera en el espacio por encima, listo para entrar en el sistema de vapor. La válvula de interrupción o de corona aísla la caldera y su presión de vapor del proceso o de la planta.

  Si se presuriza el vapor, ocupará menos espacio. Las calderas de vapor generalmente operan a presión, de modo que se puede producir más vapor en una caldera más pequeña y se transfiere al punto de uso con tuberías de pequeño diámetro. Cuando sea necesario, la presión del vapor se reduce en el punto de uso. Mientras la cantidad de vapor que se produce en la caldera sea tan grande como la que sale de la caldera, la caldera permanecerá presurizada. El quemador funcionará para mantener la presión correcta. Esto también mantiene la temperatura del vapor correcta, porque la presión y la temperatura del vapor saturado están directamente relacionadas.

  La caldera tiene un número de accesorios y controles para asegurarse de que funciona de forma segura, económica, eficaz y a una presión constante.

• El agua de alimentación

  Otro de los elementos de un sistema de vapor que resulta fundamental es la calidad del agua que se suministra a la caldera. Debe estar a la temperatura correcta, por lo general alrededor de 80°C, para evitar cambios bruscos de temperatura en la caldera, y para que funcione de manera eficiente. También debe ser de la calidad correcta para evitar daños en la caldera.

  El agua potable sin tratamiento ordinario no es del todo adecuada para calderas y puede causar que se forme espuma e incrustaciones rápidamente. La caldera sería menos eficiente y el vapor se convertiría en sucio y húmedo. La vida útil de la caldera también se reduciría.

  Por tanto, el agua debe ser tratada con productos químicos para reducir las impurezas que contiene. Tanto el tratamiento y el calentamiento del agua de alimentación se llevan a cabo en el tanque de alimentación, que, generalmente, está situado por encima de la caldera. La bomba de agua de alimentación añadirá agua a la caldera cuando lo necesite.

  Calentar el agua en el tanque de alimentación también reduce la cantidad de oxígeno disuelto en ella. Esto es importante, ya que el agua con oxígeno es corrosiva.

• Purga de caldera

  Entre las partes de un sistema de vapor que hay que vigilar está el sistema de dosificación de productos químicos en el agua de alimentación de caldera que puede dar lugar a la presencia de sólidos en suspensión en la misma. Estos se acumulan inevitablemente en la parte inferior de la caldera en forma de lodos, y se eliminan mediante un proceso conocido como purga de fondo. Esto se puede hacer de forma manual – el operario de caldera utiliza una llave para abrir una válvula de purga durante un período determinado de tiempo, por lo general dos veces al día.

  Otras impurezas permanecen en el agua de la caldera después del tratamiento en forma de sólidos disueltos. Su concentración aumenta a medida que la caldera produce vapor y en consecuencia, la caldera tiene que ser purgada periódicamente de algo de su contenido para reducir la concentración.

  A esto se le llama control de sólidos disueltos totales (control de TDS). Este proceso se puede llevar a cabo mediante un sistema automático que utiliza una sonda dentro de la caldera, o una cámara sensora pequeña que contiene una muestra del agua de caldera, para medir el nivel de TDS en la caldera. Una vez que el nivel de TDS alcanza un punto de consigna, un controlador envía una señal a la válvula de purga para que abra durante un periodo de tiempo determinado. La pérdida de agua se reemplaza por agua de alimentación con una concentración de TDS inferior, en consecuencia, se reducen los TDS de la caldera.

• Control de nivel

  Si no se controla cuidadosamente el nivel de agua dentro de la caldera, las consecuencias podrían ser catastróficas. Si el nivel del agua es demasiado bajo y los tubos de la caldera quedan expuestos, los tubos de la caldera podrían sobrecalentarse y fallar, causando una explosión. Si el nivel del agua es demasiado alto, el agua podría entrar en el sistema de vapor y alterar el proceso.

  Por esta razón, en los equipos de un sistema de vapor se utilizan controles de nivel automáticos. Para cumplir con la legislación, los sistemas de control de nivel también incorporan funciones de alarma que funcionan para apagar la caldera y llamar la atención si existe un problema con el nivel del agua. Un método común de control de nivel es usando sondas que detectan el nivel de agua dentro de la caldera. A un determinado nivel, un controlador enviará una señal a la bomba de alimentación que se pondrá en marcha para restaurar el nivel de agua, cuando se alcanza un nivel predeterminado se para. La sonda incorporará niveles en los que la bomba se pone en marcha y se para o en los que se activan las alarmas de nivel bajo o alto. Existen equipos de un sistema de vapor que utilizan otros sistemas con flotadores. En la mayoría de países es un requisito legal tener dos sistemas de alarma de nivel bajo independientes.

 

El flujo de vapor a la planta 

Otro de los elementos de un sistema de vapor que es fundamental es el flujo de vapor. Cuando el vapor se condensa, su volumen se reduce drásticamente, esto 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 requiere su energía térmica. Inicialmente habrá una o más tuberías principales de vapor que transportan vapor de la caldera en la dirección general de la planta que usa vapor. Después, se puede entonces distribuir el vapor a las diferentes partes de un sistema de vapor a través de derivaciones más pequeñas.

El vapor a alta presión ocupa un volumen menor que la presión atmosférica. Cuanto mayor sea la presión, menor es el diámetro de la tubería necesario para la distribución de una masa dada de vapor.

• Calidad del vapor

  Es importante asegurarse de que el vapor que sale de la caldera llega al proceso en la condición correcta. Para ello, los equipos de un sistema de vapor cuentan con tuberías que transportan el vapor alrededor de la planta y que incorporan filtros, separadores y purgadores de vapor.

  Un filtro es un tipo de colador en la tubería. Contiene una malla a través de la cual debe pasar el vapor. Cualquier partícula de suciedad que pasa será retenida por la malla. El filtro debe limpiarse para evitar que se tapone. Se debe retirar la suciedad del flujo de vapor, ya que puede ser perjudicial para los elementos de un sistema de vapor y también puede contaminar el producto final.

  El vapor debe ser lo más seco posible para asegurarse de que transporta eficazmente el calor.

  El separador está colocado en la tubería y contiene una serie de placas o deflectores que interrumpen la ruta de acceso del vapor. El vapor golpea los deflectores y la humedad que pueda haber en el vapor se acumula en ellos, después se drena por la parte inferior del separador.

  El vapor pasa desde la caldera a las tuberías de distribución de vapor. Inicialmente, la tubería está fría y el calor se transfiere a ella desde el vapor. El aire que rodea a las tuberías también está más frío que el vapor, por lo que la tubería comenzará a perder calor al aire. El aislamiento o calorifugado montado alrededor de la tubería reducirá esta considerable pérdida de calor.

  Cuando el vapor desde el sistema de distribución de vapor entra en los equipos de un sistema de vapor, volverá a desprender energía por: a) calentamiento del equipo y, b) a continuación por la transferencia de calor al proceso. Según el vapor va perdiendo calor, se va convirtiendo de nuevo en agua. Inevitablemente, el vapor comienza a hacerlo tan pronto sale de la caldera. El agua que se forma se la conoce como condensado, que tiende a correr por la parte inferior de la tubería y se transporta junto con el flujo de vapor.

  Este se debe eliminar de los puntos más bajos de las tuberías de distribución por varias razones:

  • El condensado no transmite el calor con eficacia. 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 convierte en corrosivo.
  • La acumulación de condensado puede provocar ruidosos y perjudiciales golpes de ariete.
  • Un drenaje inadecuado puede producir fugas en las juntas.

  Un elemento de un sistema de vapor que resulta clave es el dispositivo conocido como purgador de vapor que se utiliza para eliminar el condensado de las tuberías, mientras que previene que el vapor se escape del sistema. Puede hacerlo de varias maneras:

  • Un purgador de boya utiliza la diferencia de densidad entre el vapor y el condensado para accionar una válvula. Cuando el condensado entra en el purgador, se eleva un flotador y el mecanismo de palanca del flotador abre la válvula principal para permitir que se drene el condensado. Cuando el flujo de condensado se reduce el flotador cae y se cierra la válvula principal, evitando de este modo que el vapor escape.
  • Los purgadores termodinámicos contienen un disco que abre ante el condensado y cierra al vapor.
  • En purgadores termostáticos bimetálicos, un elemento bimetálico utiliza la diferencia de temperatura entre el vapor y el condensado para accionar la válvula principal.
  • En los purgadores termostáticos de presión equilibrada, una pequeña cápsula llena de líquido, que es sensible al calor, acciona la válvula.

  Una vez que se ha empleado el vapor en el proceso, el condensado resultante debe ser drenado de la planta y retornado a la sala de calderas.

• Reducción de presión

  Como se ha mencionado antes, el vapor de agua generalmente se genera a alta presión y puede que se tenga que reducir la presión en el punto de uso, ya sea por limitaciones de presión de la planta o por limitaciones de temperatura del proceso. Esto se consigue utilizando una válvula reductora de presión.

 

Vapor en el punto de uso 

Existe una gran variedad de plantas que utilizan vapor. A continuación describimos algunos equipos de un sistema de vapor que pueden servir de ejemplo:

• Marmitas de cocción: Ollas grandes de acero o de cobre utilizadas en la industria alimentaria y otras para hervir sustancias, cualquier cosa desde langostinos a mermelada. Estas ollas grandes están rodeadas por una camisa llena con vapor, que actúa para calentar el contenido.
• Autoclaves: Una cámara llena de vapor utilizado para fines de esterilización, por ejemplo, equipos médicos, o para llevar a cabo reacciones químicas a altas temperaturas y presiones, por ejemplo, el curado de caucho.
• Calentamiento de tanques de proceso: Un serpentín lleno de vapor en un tanque de líquido que se usa para calentar el contenido a la temperatura deseada.
• Vulcanizadores: Un gran recipiente lleno de vapor de agua que se utiliza para curar caucho.
• Corrugadoras: Una serie de rodillos calentados por vapor utilizados en el proceso de ondulación en la producción de cartón.
• Intercambiador de calor: Para calentar líquidos de uso doméstico/industrial.

1. Control del proceso

   El vapor usado en cualquiera de los equipos de un sistema de vapor requerirá algún método para controlar el flujo de vapor. A menudo no se requiere un flujo constante de vapor a la misma presión y temperatura sino que se necesita un flujo que aumente gradualmente en la puesta en marcha para calentar gradualmente la planta, y una vez que el proceso alcanza la temperatura deseada, se debe reducir el flujo.

   Las válvulas de control son partes de un sistema de vapor que se utilizan para controlar el flujo de vapor. El actuador, es el dispositivo que aplica la fuerza necesaria para abrir o cerrar la válvula. Un sensor monitorea las condiciones en el proceso y transmite la información al controlador. El controlador compara la condición del proceso con el valor de consigna y envía una señal correctiva al actuador, que ajusta la apertura de la válvula.

   Existen diferentes tipos de control:

   • Válvulas con actuador neumático: Se aplica aire comprimido a un diafragma en el actuador para abrir o cerrar la válvula.
   • Válvulas con actuador eléctrico: Un motor eléctrico acciona la válvula.
   • Válvulas autoaccionadas: No hay controlador como tal. El sensor tiene un relleno de líquido que se expande y contrae en respuesta a un cambio en la temperatura del proceso. Esta acción aplica la fuerza para abrir o cerrar la válvula.
2. Eliminación de condensado de la planta

   A menudo, el condensado que se forma se desaloja fácilmente de la planta a través de un purgador de vapor. El condensado entra en el sistema de eliminación de condensado. Si está contaminado, probablemente será enviado al desagüe. Si no, se puede retener la valiosa energía del calor que contiene por retornarla al tanque de alimentación de caldera. Esto también ahorra en costes de tratamiento de agua y agua.

   A veces, se puede formar vacío dentro de la planta de vapor. Esto impide el desalojo de condensado, pero un drenaje adecuado del espacio de vapor mantiene la eficacia de la planta. En estos casos el condensado puede que se tenga que bombear.

   Para este fin se utilizan bombas mecánicas (accionadas por vapor). Estas, o bombas eléctricas, se utilizan para elevar el condensado para que retorne al tanque de alimentación de la caldera.

   Si se tiene una bomba mecánica drenando un elemento de la planta, el sistema de vapor y condensado representa un lazo continuo. Una vez que el condensado alcanza el tanque de alimentación, está disponible para su reciclado en la caldera.

3. Monitorización de la energía

   En el ambiente actual de ahorro de energía, es bastante común que los clientes quieran monitorizar el consumo energético de los equipos de un sistema de vapor.

   Para monitorizar el consumo de vapor se utilizan medidores de caudal de vapor, también se utilizan para asignar los costes a los departamentos individuales o elementos de la planta.

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