PRÁCTICA # 4 EVAPORADOR. MARCO TEÓRICO. EVAPORADORES (VAPORIZADORES). Destilando el agua de alimentación puede obtenerse agua casi pura. En las centrales térmicas donde se emplean condensadores del tipo de superficie y el vapor condensado vuelve a las calderas, el agua que es preciso destilar es únicamente la requerida para compensar la cantidad de agua que desaparece por fugas o por pérdidas inevitables. La destilación del agua de compensación solamente es factible comercialmente. Empleando agua destilada se elimina casi completamente la formación de incrustaciones, así como las otras dificultades que se presentan en el funcionamiento de las calderas, atribuibles al agua de alimentación. Sin embargo, aun empleando agua destilada pueden llegar a las calderas pequeñas cantidades de materias productoras de incrustación a casas de fugas de los condensadores y por impurezas arrastradas del equipo de destilación. Los vaporizadores se emplean para producir agua destilada destinada a la alimentación de calderas. Se constituye varios tipos, los cuales emplean el vapor de agua a baja, media o alta presión, como fluido calefactor. El vapor producido por el vaporizador se puede compensar en los calentadores del agua de alimentación, o bien en condensadores independientes en los que el fluido refrigerante es el agua de alimentación que se trata de calentar. El tipo de vaporizador más
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PRÁCTICA # 4
EVAPORADOR.
MARCO TEÓRICO.
EVAPORADORES (VAPORIZADORES).
Destilando el agua de alimentación puede obtenerse agua casi pura. En las centrales térmicas donde se emplean condensadores del tipo de superficie y el vapor condensado vuelve a las calderas, el agua que es preciso destilar es únicamente la requerida para compensar la cantidad de agua que desaparece por fugas o por pérdidas inevitables. La destilación del agua de compensación solamente es factible comercialmente. Empleando agua destilada se elimina casi completamente la formación de incrustaciones, así como las otras dificultades que se presentan en el funcionamiento de las calderas, atribuibles al agua de alimentación. Sin embargo, aun empleando agua destilada pueden llegar a las calderas pequeñas cantidades de materias productoras de incrustación a casas de fugas de los condensadores y por impurezas arrastradas del equipo de destilación.
Los vaporizadores se emplean para producir agua destilada destinada a la alimentación de calderas. Se constituye varios tipos, los cuales emplean el vapor de agua a baja, media o alta presión, como fluido calefactor. El vapor producido por el vaporizador se puede compensar en los calentadores del agua de alimentación, o bien en condensadores independientes en los que el fluido refrigerante es el agua de alimentación que se trata de calentar. El tipo de vaporizador más corriente está formado por tubos, por los que circula vapor y que se hallan sumergidos en el agua que hay que vaporizar.
Los vaporizadores pueden ser de simple o múltiple efecto, según sea el número de escalonamientos de vaporización a través de los cuales pasa el agua. Por ejemplo, un vaporizador de simple efecto es aquel en el cual se completa la vaporización en un único serpentín o escalonamiento. Cuando el vapor procedente de un vaporizador de simple efecto se condensa en los serpentines de un segundo vaporizador, el conjunto forma un vaporizador de doble efecto. El segundo vaporizador trabaja a una temperatura más baja, y, desde él, el vapor pasa del calentador del agua de alimentación, o al condensador-vaporizador. Los vaporizadores de múltiple efecto aprovechan más el calor que se les suministra,
pero no tienen más poder vaporizante por unidad de superficie de caldeo de los vaporizadores de simple efecto. Los vaporizadores de baja presión suelen descargar en calentadores de agua de alimentación, de tipo abierto, a una presión
aproximada igual a la atmosférica; los de alta presión descargan en condensadores vaporizadores especiales.
El vaporizador representado en la figura anterior es de haz tubular y envolvente de plancha, que es la forma de construcción más corriente. El haz de tubos rectos, por cuyo interior pasa el vapor, está sumergido en el agua que se trata de vaporizar, cuyo nivel se mantiene a la mitad del diámetro de la envolvente del vaporizador. La entrada del agua de alimentación se halla a un nivel algo inferior al del tubo más alto del haz. El vapor de agua y demás gases desprendidos ascienden y ocupan la parte superior de la envolvente del vaporizador. Al salir de este el vapor atraviesa un separador, el cual devuelve las partículas de agua a la parte más baja de la envolvente. Por lo regular para transformar el vapor en líquido se emplea condensadores de superficie, así como también para evacuar los gases desprendidos. El aparato puede instalarse bien sea para funcionar con vació y simple efecto, bien a baja presión y simple efecto. Acoplando dos
vaporizadores puede formarse otro de doble efecto funcionando con presión. Si son tres, resulta otro de triple efecto.
El haz tubular desmontable se acopla, cuando esta frio, a una placa porta tubos fija y a otra flotante mediante dos pares de barras tensoras flexibles con los miembros de cada par inicialmente curvados uno hacia el otro. Entre estas hay otras intermedias partidas y espaciadas a distancia iguales, que hacen de soporte; un par de tensores tubulares completa el conjunto. En condiciones de montaje los tubos están rectos; pero cuando por su interior circula vapor, al dilatarse por el calor entre los topes situados sobre ellos, una mitad se tuerce en sentido horizontal hacia la derecha y la otra mitad hacia la izquierda. Este movimiento de los tubos se utiliza para hacer saltar las incrustaciones. Ciertas incrustaciones formadas por los tubos pueden quitarse sacando el agua del vaporizador y rociando los tubos calientes con agua fría al contraerse los tubos pueden enfriarse súbitamente, hace que las incrustaciones se desprendían. Cuando este procedimiento no resulta eficaz, se saca, del vaporizador el haz tubular y las incrustaciones que se quitan a mano.
EVAPORADORES.
En las instalaciones de refrigeración del refrigerante absorbe el calor del medio que se trata de enfriar, en dispositivos dispuestos para bajar la temperatura del agua, salmuera o aire. Los dispositivos (evaporadores) en los cuales se efectúa el enfriamiento se clasifican frecuentemente atendiendo al medio enfriado, esto es, en enfriadores de agua, salmuera o aire. Los evaporadores pueden ser simples serpentines de tubo, o los cuales se disponen en las paredes del local a enfriar. Otras veces se les da la forma de los condensadores de camisa. Tubo, de doble tubo o de serpentines de tubos de aletas. En cualquier caso es esencial para un funcionamiento satisfactorio que el refrigerante quede distribuido adecuadamente en el evaporador.
ECUACIÓN DE ANTOINE.
Es una correlación empírica que relaciona la presión de vapor con la temperatura, esta es una ecuación muy exacta y fácil de utilizar y está en función de las constantes A, B y C:
log10 p¿=A− B
T+C
Cox en 1923 sugirió tomar una escala logarítmica para Pv y una recta con pendiente positiva que representa la presión de vapor del agua (generalmente usada como sustancia de referencia porque sus propiedades se conocen muy bien) que se emplea para calibrar la otra escala en unidades de temperatura. Entonces las gráficas de Pv de otras sustancias aparecen como líneas rectas o casi rectas. Un gráfico de este tipo se llama recta de Cox. Calingaert y Davis en 1925 demostraron que esto equivale a tomar una escala de temperatura en la que se representan los valores de 1/T-C. Esto en sustancia equivale a la vieja correlación de Antoine (1888) que si se piensa no es más que una representación hiperbólica, es decir equivalente a tomar el primer término de la ecuación de Kirchoff. La ecuación de Antoine es:
log10 p¿=A− B
T+C
CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN.
Cuando a una cierta cantidad de agua (u otro líquido) se le suministra calor, éste se invierte inicialmente en aumentar la temperatura del agua. Dicho aumento de temperatura viene determinado por el calor suministrado, la masa de agua, y la constante llamada calor específico. Pero si la temperatura alcanza el punto de ebullición del agua (Te∼100ºC, dependiendo de la presión, y por tanto de la altitud, local), el agua hierve (entra en ebullición) y se va transformando en vapor con mayor o menor rapidez según la velocidad a la que se le esté suministrando el calor. Mientras que dura la transformación de líquido a vapor (cambio de fase), su temperatura permanece constante en Te, y la energía que se le suministra se invierte en transformar el líquido en vapor. Por tanto, el paso de la fase líquida a la fase vapor requiere de un aporte de energía. La cantidad de energía Q necesaria para pasar una unidad de masa del estado líquido al estado vapor se denomina calor latente de vaporización, y normalmente se denota por la letra L. De esta manera, durante la ebullición, la masa m de agua evaporada al suministrar una cantidad de calor Q vendrá dada por la expresión:
m=QL
Correlación de Watson.
Nos permite estimar el calor latente de vaporización a partir de un valor conocido del calor latente de vaporización a otra temperatura. El valor conocido puede ser experimental o una estimación obtenida desde alguna correlación.
Una caldera es una maquina o dispositivo de ingeniería que está diseñado para generar vapor saturado. Éste vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado, según la ITC-MIE-AP01, caldera es todo aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.
Las calderas son un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas de intercambiadores de calor, en las cuales se produce un cambio de fase. Además son recipientes a presión, por lo cual son construidas en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas .Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, las calderas son muy utilizadas en la industria para generarlo en aplicaciones como:
• Esterilización (tindarización), es común encontrar calderas en los hospitales, las cuales generan vapor para esterilizar los instrumentos médicos, también en los comedores con capacidad industrial se genera vapor para esterilizar los cubiertos así como para la elaboración de alimentos en marmitas.• Calentar otros fluidos, por ejemplo, en la industria petrolera se calienta a los petrolees pesados para mejorar su fluidez y el vapor es muy utilizado.• Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. Las calderas son parte fundamental de las centrales termoeléctricas. Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado.
MARCO TEÓRICO.
PRINCIPALES TIPOS DE CALDERAS
Aunque existen numerosos diseños y patentes de fabricación de calderas, cada una de las cuales puede tener características propias, las calderas se pueden clasificar en dos grandes grupos; calderas pirotubulares y
acuatubulares, algunas de cuyas características se indican a continuación.
CALDERAS PIROTUBULARES.
Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la combustión de un combustible, los que circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua de la caldera. El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción y convección. Según sea una o varias las veces que los gases pasan a través del haz tubular, se tienen las calderas de uno o de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en cada uno de ellos, los humos solo atraviesan un determinado número de tubos, cosa que se logra mediante las denominadas cámaras de humos. Una vez realizado el intercambio térmico, los humos son expulsados al exterior a través de la chimenea.
CALDERAS ACUOTUBULARES.
En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua el que circula por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderín o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente, pueden estar dotadas de otros elementos de intercambio
de calor, como pueden ser el sobrecalentador, recalentador, economizador, etc.dotadas de otros elementos de intercambio de calor, como pueden ser el sobrecalentador.
Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo la zona de radiación de la caldera. Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustión son conducidos a través del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y constituyendo la zona de convección de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la atmósfera a través de la chimenea. Con objeto de obtener un mayor rendimiento en la caldera, se las suele dotar de elementos, como los ya citados, economizadores y precalentadores, que hacen que la temperatura de los gases a su salida de la caldera, sea menor, aprovechando así mejor el calor sensible de dichos gases
CALDERAS DE VAPORIZACIÓN INSTANTÁNEA.
Existe una variedad de las anteriores calderas, denominadas de vaporización instantánea, cuya representación esquemática podría ser la de un tubo calentado por una llama, en el que el agua entra por un extremo y sale en forma de vapor por el otro. Dado que el volumen posible de agua es relativamente pequeño en relación a la cantidad de calor que se inyecta, en un corto tiempo la caldera está preparada para dar vapor en las condiciones requeridas, de ahí la denominación de calderas de vaporización instantánea.
Hay que destacar que en estas calderas el caudal de agua inyectada es prácticamente igual al caudal de vapor producido, por lo que un desajuste entre el calor aportado y el caudal de agua, daría lugar a obtener agua caliente o vapor sobrecalentado, según faltase calor o este fuese superior al requerido.
ELEMENTOS, TÉRMINOS Y COMPONENTES DE UNA CALDERA.
• Agua de alimentación: Es el agua de entrada que alimenta el sistema, generalmente agua de pozo o agua de red con algún tratamiento químico como la desmineralización.
• Agua de condensado: Es el agua que proviene del estanque condensador y que representa la calidad del vapor.
• Vapor seco o sobresaturado: Vapor de óptimas condiciones.
• Vapor húmedo o saturado: Vapor con arrastre de espuma proveniente de una agua de alcalinidad elevada.
• Condensador: Sistema que permite condensar el vapor.
• Estanque de acumulación: Es el estanque de acumulación y distribución de vapor.
• Desaireador: es el sistema que expulsa los gases a la atmósfera.
• Purga de fondo: Evacuación de lodos y concentrado del fondo de la caldera.
• Purga de superficie: Evacuación de sólidos disueltos desde el nivel de agua de la caldera.
• Fogón u hogar: Alma de combustión del sistema.
• Combustible: Material que produce energía calórica al quemarse.
• Agua de calderas: Agua de circuito interior de la caldera cuyas características dependen de los ciclos y del agua de entrada.
• Ciclos de concentración: Número de veces que se concentra el agua de caldera respecto del agua de alimentación.
• Alcalinidad: Nivel de salinidad expresada en ppm de CaCO3 que confiere una
concentración de iones carbonatos e hidroxilos que determina el valor de pH de funcionamiento de una caldera, generalmente desde 10,5 a 11.5.
• Incrustación: Sedimentación de sólidos con formación de núcleos cristalinos o amorfos de sulfatos, carbonatos o silicatos de magnesio que merman la eficiencia de funcionamiento de la caldera.
• Dispersante: Sistema químico que mantiene los sólidos descohesionados ante un evento de incrustación.
• Antiincrustante: Sistema químico que permite permanecer a los sólidos incrustantes en solución.
• Anticorrosivo: Sistema químico que brinda protección por formación de films protectivos ante iones corrosivos presentes en el agua.
Combustibles.
Clases de combustibles.
Los combustibles comerciales, ya sea en su estado natural o en formas preparadas, pueden ser sólidos, líquidos y gases. Los combustibles sólidos comprenden carbonos, lignitos, coques, maderas y residuos combustibles procedentes de muchos procesos de fabricación. Los combustibles líquidos comprenden el alcohol, petróleo y sus destilados, y algunas veces, las breas. Los gases naturales salen de la tierra y los gases fabricados son productos obtenidos principalmente de carbón. Los elementos fundamentales de un combustible son: carbono (c) e hidrogeno (H). El azufre (s) es un elemento, pero no se considera como combustible, sino más bien como un cuerpo indeseable.
Combustión.
El aire de combustión proporciona el oxígeno necesario para la combustión. Está compuesto por nitrógeno (N2), oxígeno (O2), bajos volúmenes de gases inertes y una parte variable de vapor de agua. En algunos casos, se utiliza para la combustión oxígeno puro o una mezcla de oxígeno y aire.Los principales constituyentes del aire de combustión (con la excepción del oxígeno, que se consume durante la combustión) se encuentran en los gases de combustión.
Combustión ideal, coeficiente de exceso de aire, balance de materiales:
Combustión ideal, coeficiente de exceso de aire, balance de materiales. La necesidad mínima de oxígeno para la combustión completa (ideal) de las partes inflamables depende de la composición del combustible.1 kg de carbono, por ejemplo, necesita 2,67 kg de oxígeno para quemarse, mientras que 1 kg de hidrógeno necesita 8 kg y 1 kg de azufre sólo 1 kg de oxígeno. En este caso, la combustión cuando las proporciones de las cantidades son exactas se denomina como combustión ideal o combustión en condiciones estequiométricas.
Las ecuaciones de reacción correspondientes son como sigue:
Carbono: C + O2 ----> CO2
Hidrógeno: 2H2 + O2 ----> 2H2O
Azufre: S + O2 ----> SO2
Composición del aire puro y seco en la superficie terrestre:
La combustión ideal se puede basar en el modelo mostrado en la Figura 1:
Modelo de una combustión ideal:
La cantidad de oxígeno suministrado es suficiente para quemar totalmente el combustible presente; no hay exceso de oxígeno ni de combustible.
En la práctica, sin embargo, esta cantidad ideal (mínima) de oxígeno no es suficiente para una combustión completa debido a la mezcla incompleta del combustible y el oxígeno, entre otras cosas, y se debe aportar más oxígeno y por consiguiente más aire de combustión de lo que es estequiométricamente necesario. Esta cantidad
adicional de aire se conoce como "exceso de aire", la proporción entre la cantidad de aire real y la estequiométricamente necesaria se conoce como coeficiente de exceso de aire (Lambda). La Fig. 2 muestra esta situación en forma de modelo; debido al exceso de aire, aquí Lambda > 1.
Modelo de la combustión con exceso de aire:
Determinación del coeficiente de exceso de aire:
El coeficiente de exceso de aire se puede determinar a partir de las concentraciones de los componentes de los gases de combustión CO, CO2 y O2; las correlaciones se muestran en lo que se denomina como el diagrama de combustión. Si el combustible y el aire se mezclan lo más perfectamente posible, hay un determinado contenido de CO (en el rango Lambda < 1) o un determinado contenido de O2 (en el rango Lambda > 1) para cada contenido de CO2. El valor de CO2 por sí solo no es claro debido a que el perfil de la curva va más allá del máximo, lo que significa que se requiere un ensayo adicional para establecer si el gas también contiene CO u O2 además del CO2. Para trabajar con exceso de aire (es decir, las condiciones normales), se prefiere ahora, en general, una medición de O2. Los perfiles de la curva son específicos del combustible, es decir, hay un diagrama individual y en particular un valor máximo específico de CO2 para cada combustible. Las relaciones entre estos numerosos diagramas se resumen frecuentemente en la práctica en forma de un ábaco.
La tabla que sigue da los intervalos típicos del coeficiente de exceso de aire para determinadas instalaciones de combustión. En principio: cuanto menor es la superficie de reacción del combustible en relación con la unidad de masa (combustible de grano grueso), mayor es la cantidad de exceso de aire que se debe escoger para garantizar la combustión completa.
Lo contrario también es cierto, y por esta razón los combustibles sólidos se muelen finamente y los combustibles líquidos se atomizan. Sin embargo, procesos especiales tales como el tratamiento térmico superficial se completan deliberadamente donde hay falta de aire, Lambda < 1, ya que esto es necesario para garantizar el proceso deseado.
Las dos fórmulas que siguen se aplican aproximadamente al cálculo teórico del coeficiente de exceso de aire a partir de las lecturas de CO2 o de O2:
Fórmulas para determinar el coeficiente de exceso de aire:
Rangos típicos del coeficiente de exceso de aire:
Grado de avance.
Desde el punto de vista de la física, representamos a la reacción como:
tal que son los coeficientes estequiométricos de la reacción, que pueden ser positivos (productos) o negativos (reactivos). La ecuación presenta dos formas posibles de estar químicamente la naturaleza (como suma de productos o como suma de reactivos).
Si es la masa del producto que aparece, o del reactivo que desaparece, resulta que:
constante . .Sería la masa molecular del compuesto correspondiente y se denomina grado de avance. Este concepto es importante pues es el único grado de libertad en la reacción.
Cuando existe un equilibrio en la reacción, la entalpía libre es un mínimo, por lo que:
