tecnicas de gestion energetica en sistemas de vapor
Post on 13-Aug-2015
76 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1
ESCUELA POLITÉCNICA
NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
LABORATORIO DE ENERGÍAS ALTERNATIVAS Y EFICIENCIA
ENERGÉTICA
TÉCNICAS DE GESTIÓN ENERGÉTICA EN SISTEMAS DE VAPOR
Ing. José Luis Palacios E.jlpalaciose@gmail.com
Quito, Abril 2010
2
CONTENIDO
CONTENIDO.............................................................................................................II
INDICE DE TABLAS................................................................................................III
INDICE DE FIGURAS ...............................................................................................IV
INTRODUCCIÓN.....................................................................................................VI
BIBLIOGRAFÍAINDICE DE TABLAS
Tabla Nº. 1 Valores recomendados de TDS.............................................................7
Tabla Nº. 2 Factores de seguridad según la aplicación de la trampa de vapor.....29
Tabla Nº. 3 Sugerencias de trampas de vapor según la aplicación.......................29
Tabla Nº. 4 Flujo de vapor perdido por fugas.........................................................35
Tabla Nº. 5 Recomendación de frecuencia de inspección de trampas de vapor...48
Tabla Nº. 6 Flujo de Efectivo..................................................................................60
Tabla Nº. 7 TIR y relación B/C................................................................................62
Tabla Nº. 8 Valor actual neto..................................................................................63
Tabla Nº. 8 Valor actual neto.
INDICE DE FIGURAS
Figura Nº. 1 Circuito típico de vapor.........................................................................2
Figura Nº. 2 Caldera de tubos de fuego o pirotubular..............................................3
Figura Nº. 3 Caldera de tubos de agua o acuotubular.............................................3
Figura Nº. 4 Suministro de combustible...................................................................4
Figura Nº. 5 Diferencia de volúmenes......................................................................5
Figura Nº. 6 Presencia de incrustaciones y hollín....................................................6
Figura Nº. 7 Suministro de agua...............................................................................9
Figura Nº. 8 Distribuidor de vapor...........................................................................13
Figura Nº. 9 Conexión de vapor por la parte superior............................................13
Figura Nº. 10 Pierna Colectora...............................................................................13
Figura Nº. 11 Drenaje de condensado...................................................................14
3
Figura Nº. 12 Separador de vapor..........................................................................14
Figura Nº. 13 Obtención de vapor filtrado..............................................................16
Figura Nº. 14 Trampa de balde invertido descargando condensado, válvula
abierta.....................................................................................................................21
Figura Nº. 15 Trampa de balde invertido, válvula cerrada.....................................21
Figura Nº. 16 Trampa de balde invertido, evacuación del condensado y gases
incondensables.......................................................................................................22
Figura Nº. 17 Trampa de vapor termostática, bimetálica.......................................23
Figura Nº. 18 Trampa de vapor termostática, fuelle...............................................24
Figura Nº. 19 Trampa de flotador y termostato, purga del aire..............................25
Figura Nº. 20 Trampa de flotador y termostato, ingreso de vapor.........................26
Figura Nº. 21 Trampa termodinámica de disco......................................................27
Figura Nº. 22 Diagrama de instalación de trampas de vapor.................................31
Figura Nº. 23 a) Vapor vivo y b) vapor flash...........................................................33
Figura Nº. 24 Visor..................................................................................................34
Figura Nº. 25 Operación de una trampa de vapor, a) normal, b) abierta, c) trampa
inundada.................................................................................................................34
Figura Nº. 26 Revisión ultrasónica..........................................................................37
Figura Nº. 27 Instalación para verificación del funcionamiento de la trampa de
vapor.......................................................................................................................38
Figura Nº. 28 Fuga de vapor en la brida de una tubería principal de vapor..........41
Figura Nº. 29 Trampa de vapor abierta, con el disco rebotando dentro de la tapa
de la trampa............................................................................................................42
Figura Nº. 30 Trampa de vapor nueva, funcionamiento correcto...........................42
Figura Nº. 31 Trampa de flotador y termostato ¾” abierta.....................................43
Figura Nº. 32 Trampa de flotador y termostato de 1”, funcionamiento correcto. Los
círculos de color azul representan la descarga del termostato..............................43
Figura Nº. 33 Trampa termodinámica de ½”, los círculos azules representan la
fuga de vapor en la tapa.........................................................................................44
Figura Nº. 34 Trampa de vapor de balde invertido de ¾”, funcionamiento correcto.
................................................................................................................................44
Figura Nº. 35 Trampa de balde invertido ½”, cerrada requiere revisión urgente.. .45
Figura Nº. 36 Etiquetas de identificación de trampas de vapor.............................46
Figura Nº. 37 Termograma de una tubería de vapor..............................................52
4
Figura Nº. 38 Precio de energía comprada y transformada por la unidad de
generación de vapor...............................................................................................57
Figura Nº. 38 Precio de energía comprada y transformada por la unidad
de generación de vapor.
INTRODUCCIÓN
La gestión energética es una serie de actividades encaminadas en la búsqueda
del uso eficiente y racional de los recursos energéticos. Con el propósito de
reducir el consumo de energía trayendo como resultado ahorros económicos
significativos y sobre todo la reducción del consumo de combustibles fósiles;
sumándose por lo tanto a la gestión energética la importancia ambiental.
Con el objetivo de contribuir en la identificación de valiosas oportunidades de
energía en los sistemas de vapor. El presente curso muestra dos alternativas
técnicas: revisión del funcionamiento de trampas de vapor y termografía.
Resaltándose en la primera técnica el método de inspección ultrasónico de
trampas de vapor por las facilidades de análisis del estado de funcionamiento de
los purgadores de vapor.
Se indica también una sección de contabilidad energética en la cual todos los
aspectos energéticos técnicos son traducidos en términos monetarios mediante la
aplicación de indicadores adecuados. Finalmente, se incluyen los principios
fundamentales para la evaluación económica de oportunidades de energía.
En nuestro país es absolutamente necesario el conocimiento de mecanismos
técnicos que permitan reducir el consumo energético de los procesos, no solo por
la disminución del consumo de combustibles de origen fósil con las reducciones
5
de gases contaminantes hacia el medio también, sino también para aumentar la
competitividad industrial. En este sentido el curso se enfoca también en despertar
el interés de los participantes en la identificación de soluciones a los problemas
energéticos de las industrias ecuatorianas.
José Luis Palacios E.
1
1. ASPECTOS BÁSICOS DE GENERACIÓN DE VAPOR
1.1 EL AGUA COMO FLUIDO DE TRABAJO PARA LA GENERACIÓN
DE VAPOR
El agua es un recurso renovable que ha sido utilizada ampliamente por los seres
humanos en procesos industriales como una fuente de energía térmica, como
materia prima de procesos o para producir energía mecánica para ser utilizada
directamente o para su transformación posterior en electricidad.
Las industrias que utilizan materias primas orgánicas son las que contribuyen de
manera significativa a la carga de contaminantes del agua, siendo el sector de la
alimentación el que más la contamina.
Las razones por las cuales el agua es empleada como un fluido de energía térmica
son:
1. Disponibilidad del recurso mediante fuentes de abastecimiento superficial y
subterráneo.
2. Relativo bajo costo. Aunque en la Cumbre Mundial de Desarrollo Sostenible
de las Naciones Unidas llevada a cabo en Johannesburgo en septiembre del
2002, se consideró al agua como materia prima estratégica y posible fuente de
conflictos internacionales.
3. Propiedades físico-químicas favorables como:
– alto calor específico
– alto calor latente
– baja viscosidad
– alto coeficiente de transferencia de calor
– no es tóxica, ni inflamable
El agua en fase de vapor se utiliza preferentemente porque presente las siguientes
características:
Ing. José Luis Palacios E.
1
– El contenido energético del vapor es superior al del líquido a igualdad de
masa y condiciones de trabajo como temperatura y presión.
– El agua en fase de vapor se autotransporta sin necesidad de usar equipos
de bombeo, consumiendo para ello su propia energía.
– Resulta más fácil satisfacer demandas de energía térmica a diferentes
temperaturas.1
1.1 ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE VAPOR
Los elementos de un sistema de vapor son el generador de vapor o caldera, el
sistema de distribución, lo equipos de consumo de vapor y el retorno de condensado.
Todos los elementos del sistema interactúan entre sí. Si existe mal funcionamiento
en algunos de sus elementos la operación de todo el sistema de vapor será afectada
con importantes pérdidas de energía que provocaran pérdidas económicas
considerables. La figura Nº1, indica los elementos de un sistema de vapor.
Figura Nº. 1 Circuito típico de vapor.Fuente: SPIRAX SARCO, 2000, “Design of Fluid Systems”, Hook Ups, Steam Utilization, Allentown, pp.14
A continuación se describe cada uno de los elementos del sistema de vapor.
1 Borroto, A., 2005, “Ahorro de Energía en Sistemas de Vapor”, Editorial Universidad de Cienfuegos, Cuba, pp. 3-7
Ing. José Luis Palacios E.
1
1.1.1 GENERADOR DE VAPOR
Es el corazón de todo el sistema de vapor. El generador de vapor es un equipo de
intercambio de energía entre la energía desprendida por el combustible de la
reacción de combustión y el fluido de trabajo.
Si la fuente de energía proviene de gases de escape las calderas se llaman
recuperadoras. En los generadores de centrales nucleares la fuente de energía
proviene de la separación de núcleos atómicos, fisión nuclear. Producto del
intercambio energético el agua se convierte en vapor saturado o sobrecalentado.
Un criterio de clasificación de los generadores de vapor es respecto a la disposición
de los fluidos, esto es en tubos de fuego llamadas calderas pirotubulares y de tubos
de agua o calderas acuotubulares, las figuras Nº2 y 3 indican de manera
esquemática la disposición de los fluidos caliente y frío.
Figura Nº. 2 Caldera de tubos de fuego o pirotubular.
Figura Nº. 3 Caldera de tubos de agua o acuotubular.1.1.1.1 Suministro de combustible
Ing. José Luis Palacios E.
2
Una vez que el combustible ha pasado por procesos como filtrado, calentamiento,
dependiendo del estado del combustible sólido o líquido, para garantizar una
combustión adecuada ingresa al quemador de la caldera.
La cantidad de energía liberada por el combustible durante la reacción de
combustión se conoce como valor calórico del combustible y dependiendo si se
considera en los productos de combustión el agua en fase líquida o gaseosa, el valor
calórico se denomina superior o inferior, respectivamente. Siendo este último el más
empleado para la determinación de la eficiencia térmica del generador.
La siguiente figura indica el esquema de suministro de combustible de una caldera
en la cual se emplea F.O.#2 o diesel para su encendido y F.O.#6 o bunker como
combustible principal.
Figura Nº. 4 Suministro de combustible.
Se debe tener en cuenta la variación del volumen del combustible con la
temperatura. Debido a esta variación es necesario calcular el volumen de
combustible a temperatura estándar que es 60ºF o 15ºC. Es decir, que si el
combustible tanto en el tanque de almacenamiento de mayor capacidad, como en el
tanque diario se mantiene a distintas temperaturas el volumen de combustible para
Ing. José Luis Palacios E.
2
fines de cálculo de existencia en los tanques, como para determinar el consumo del
generador deben ser corregidos a condiciones estándar. La manera más sencilla
para realizar esta corrección es mediante el balance de masa de combustible a las
condiciones de temperatura, que a continuación se indica:
m60 = m60 ℃ ℉
m60 = ρ60 V60℃ ℃ ℃
m60 = ρ60 V60℉ ℉ ℉
ρ60 V60 =ρ60 V60℃ ℃ ℉ ℉
VC.E.= V60 ρ60 ρ60℃ ℃ ℉
La figura 02, indica la diferencia de volúmenes entre condiciones de trabajo y
condiciones estándar de un tanque diario.
Figura Nº. 5 Diferencia de volúmenes.
Con el objeto de tener una combustión adecuada y evitar daños en el sistema de
combustión es necesario realizar purgas en el tanque diario de combustible,
principalmente para expulsar contenidos de agua libre y sedimentos de fondo del
combustible.
El consumo de combustible del generador constituye el 80% dentro de la estructura
de costos de generación de vapor; siendo el rubro más significativo y el que se
considera en los diagramas de flujo de efectivo en la evaluación económica de
oportunidades de ahorro de energía.
Ing. José Luis Palacios E.
1
1.1.1.2 Suministro de agua
Siendo el agua el fluido de trabajo más importante para la generación de vapor, esta
debe ser pre-tratada y tratada de manera adecuada antes de ingresar al generador
de vapor. El agua para la generación de vapor se trata para evitar la corrosión y
formación de precipitados en las superficies de transferencia de calor del generador.
La formación de precipitados sobre las superficies de transferencia de calor de la
caldera actúa como aislante térmico, puesto que los precipitados separan el agua
del metal entonces este último no puede ser enfriado. Cuando existe demasiada
formación de precipitados el metal se sobrecalienta y falla.
La siguiente figura indica el esquema de una caldera de tubos de fuego con
incrustaciones en el lado del agua, con presencia de hollín en el lado de fuego.
Figura Nº. 6 Presencia de incrustaciones y hollín.
Una medida que se debe tener en cuenta en el tratamiento del agua es la cantidad
de sólidos disueltos en el agua TDS, que pueden ser medidos de manera indirecta
mediante la conductividad del agua para después con el empleo de tablas se
convertidos a valores de concentración en partes por millón o de forma directa
medidos en ppm.
Dependiendo de la presión de trabajo del generador de vapor, la Asociación
Americana de Constructores de Calderas ABMA, por sus siglas en inglés recomienda
mantener niveles de TDS en valores que se indican en la siguiente tabla 01.
Ing. José Luis Palacios E.
1
Una forma de pre-tratamiento del agua de los generadores de vapor es el filtrado.
Los filtros varían desde cartuchos simples hasta tanques llenos de arena.
El equipo más común de pre-tratamiento de agua en calderas son los ablandadores,
que disminuyen la dureza del agua. El agua es considerada dura cuando es difícil de
hacer espuma. La prueba original para determinar la dureza del agua consistía en el
empleo de una solución de jabón estándar para producir espuma.
Los ablandadores son tanques que contienen resina que posee afinidad por ciertos
iones principalmente sodio, magnesio y calcio.
Tabla Nº. 1 Valores recomendados de TDS.
Presión de Trabajo de la Caldera
(psig)
Sólidos Totales Disueltos
(ppm)0-50 2500
51-300 3500301-450 300451-600 2500601-750 1000751-900 750
901-1000 625Fuente: ABMA, Boiler Blowdown, Fact Data Sheet, http://www.p2pays.org/ref/34/33027.pdf
El objetivo de los ablandadores es cambiar los iones de magnesio y calcio del agua
de alimentación a la caldera por iones de sodio. La razón para ello es que el calcio y
el magnesio producen la formación de precipitados en la caldera y el sodio no. Los
iones de sodio provienen del cloruro de sodio, que se pone en una solución con agua
para formar la salmuera.
La resina también atrapa largas partículas de suciedad del agua, actuando como un
filtro.
Una parte importante para mantener el intercambio iónico es la limpieza y reemplazo
de la resina, un completo reemplazo de esta es común cada cinco años cuando el
contenido de cloro es alto en el agua de alimentación del generador.
Ing. José Luis Palacios E.
2
Los tanques de alimentación de agua con calentadores y deareadores son otros
equipos comunes de pre-tratamiento. Tienen tres funciones principales: remover el
oxígeno, calentar y almacenar el agua de alimentación al generador de vapor.
La remoción de oxígeno se consigue mediante el aumento de la temperatura del
agua. Mientras la temperatura del agua se aproxima al punto de ebullición la cantidad
de oxígeno que puede almacenar disminuye. Calentando el agua a 180ºF o 70ºC se
reduce la absorción máxima de oxígeno a menos de 2 ppm.
Un tanque de almacenamiento puede solo remover oxígeno a pequeños valores y
para ello cuenta con dos tipos de calentadores: con un serpentín o con una flauta de
calentamiento que suministra vapor directamente en el tanque. El vapor calienta el
agua condensándola y volviéndola parte del agua de alimentación mientras agita el
agua. La agitación es necesaria porque ayuda a remover burbujas de oxígeno del
agua. La figura 06, indica el esquema de suministro de agua de una caldera.
Ing. José Luis Palacios E.
1
Figura Nº. 7 Suministro de agua.
Para aplicaciones prácticas los tanques de alimentación de las calderas proveen
simplemente un lugar de almacenamiento del agua a las calderas y retorno de
condensado con capacidad para remover oxígeno. Normalmente el agua de
reposición es suministrada al tanque mediante una válvula con un flotador que
mantiene un nivel constante de agua en el tanque. El agua de reposición, más liviana
es más densa que el condensado y cae al fondo del tanque mezclándose con el
condensado mientras ingresa en la tubería de succión de la bomba centrífuga.
Por otra parte, los deareadores remueven oxígeno hasta cantidades mínimas y son
empleados en plantas de generación de energía eléctrica.
Si el oxígeno no es removido del agua de alimentación este ocasionará corrosión por
picadura en el metal del generador de vapor.
Ing. José Luis Palacios E.
2
Para el control de sólidos totales disueltos en los generadores de vapor, existen dos
purgas; una superficial y otra de fondo. Mediante la purga continua o superficial de la
caldera se reduce la concentración de sólidos disueltos en el agua. El aumento de
TDS resulta en la saturación del agua con sólidos que forman incrustaciones en las
superficies de calentamiento del generador de vapor.
Removiendo el agua de la caldera que contiene la concentración más alta de sólidos
se provee espacio para que el agua de reposición que contiene menos sólidos entre
en el generador y así reducir la concentración global de sólidos en la caldera.
Un indicador eficaz de la formación de precipitados es el incremento en la
temperatura de los gases de escape, puesto que como se explicó anteriormente los
precipitados actúan como agentes aislantes de la transferencia de calor entre los
gases de combustión y el fluido de trabajo resultando en el incremento gradual de los
gases de escape a medida que los precipitados se depositan en las superficies de
calentamiento del generador de vapor. El incremento de temperatura puede ser
verificado mediante registros periódicos de la temperatura de gases de escape. Si la
temperatura de gases de escape excede la temperatura de ebullición del agua en
más150ºF, el generador no se encuentra trabajando de manera eficiente.2
tem.de escape >tem.ebullición+150 →generador ineficiente℉
La purga de fondo está diseñada para remover sólidos asentados en el agua de la
caldera. Las fuentes de estos sólidos incluyen el agua de reposición, óxido y otras
partículas sólidas que retornan con el condensado y la producción intencional de
sólidos del tratamiento químico. Esta purga contribuye a la reducción de sólidos
disueltos con un costo considerable de gasto de agua y energía debido a que la
purga de fondo no se recupera.
Mientras el número de iones de hidrógeno en el agua de la caldera aumenta el pH
(potencial de hidrógeno) disminuye y los iones de hidrógeno libres atacan el metal
del generador, cambiando lugares con las moléculas de hierro del acero.
2 Capehart, B.,2003, “Guide to Energy Management”, The Fairmont Press, Estados Unidos, pp. 326-327
Ing. José Luis Palacios E.
3
Para prevenir este tipo de corrosión se realiza la adición de iones hidroxilo en el
agua. El químico normalmente añadido a las calderas para elevar el pH es hidróxido
de sodio NaOH o sosa caústica para mantener niveles de potencial de hidrógeno en
el rango de 10 a 12. Exceso en la cantidad de hidróxido añadido provoca fragilización
y agrietamiento caústico.
La otra causa de corrosión de los generadores de vapor es el oxígeno disuelto. El
calentamiento de agua en los tanques de almacenamiento y los deareadores
remueven gran contenido de oxígeno, pero es necesario un tratamiento químico para
tener menores concentraciones. Para este propósito el químico empleado es el
sulfito de sodio (NaSO3).
Entonces, prevenir la corrosión consiste en controlar el pH y remover oxígeno.
En cambio, para prevenir la formación de precipitados se emplea en el
pretratamiento los ablandadores y además un producto químico es añadido al agua
para convertir las sales de precipitados en lodos. El sistema convencional para
tratamiento de agua de las calderas es el hidróxido de sodio y fosfato. La sosa
caústica es añadida para aumentar el pH y el fosfato para remover los precipitados
formados en sales para combinarse con ellos mediante lodos para ser expulsados en
la purga de fondo.3
1.1.2 SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR
Es el encargado de transportar el vapor desde la caldera hasta los equipos de
consumo.
Se encuentra formado por un arreglo de tuberías, accesorios, soportes, etc. La
tubería empleada para instalaciones de vapor es la ASTM A-53 o conocida
comercialmente como tubería negra. Se debe tener en cuenta que los diámetros
comerciales de las tuberías son nominales.
Las normas ASME B31.1 y ASME B31.3, son las normativas empleadas para las
instalaciones de generación y equipos de proceso de vapor, respectivamente.
3 Heselton, K., 2003, “Boiler Operator´s Handbook”, The Fairmont Press, Estados Unidos, pp.167-184
Ing. José Luis Palacios E.
2
Un elemento importante de este sistema y al cual no se le toma en cuenta son los
distribuidores de vapor. Es necesario siempre a la salida del generador de vapor
instalar un distribuidor de vapor para evitar que el condensado formado durante la
generación misma de vapor sea arrastrado a los equipos de proceso y también son
empleados para seccionar el consumo de vapor mediante el cierre o apertura de
válvulas; con esto se logra ahorros de vapor en equipos que están fuera de
operación.
La figura 07, indica un distribuidor de vapor; tómese en cuenta que el ingreso de
vapor se realiza por los extremos y el desalojo de condensado es mediante dos
piernas colectoras ubicadas en el extremos opuestos de ingreso de vapor.
La conexión de suministro de vapor a los equipos de consumo debe realizarse por la
parte superior de la tubería principal a manera de cuello ganso, figura Nº09.
De manera general en todos los fluidos en los cuales no se invierte energía para
transportarlos como el vapor, estos consumen su propia energía para circular por las
tuberías, retornando a su estado original; líquido. Por lo tanto las conexiones a
manera de cuello de ganso son imprescindibles para garantizar el suministro de
vapor a los equipos, puesto que el condensado actúa como secuestrador de calor y
afecta la eficiencia de todo el proceso de transferencia de energía.
Figura Nº. 8 Distribuidor de vapor.Fuente: SPIRAX SARCO, 2000, “Design of Fluid Systems”, Hook Ups, Application Diagrams, Section 2, Allentown, pp.84
Ing. José Luis Palacios E.
1
Figura Nº. 9 Conexión de vapor por la parte superior.Fuente: SPIRAX SARCO, 2000, “Design of Fluid Systems”, Hook Ups, Steam Utilization, Allentown, pp.15
Precisamente para remover el condensado formado de la circulación de vapor
saturado y especialmente en los cambios de sección y curvaturas de la tubería, es
necesario instalar piernas colectoras o patas de goteo, figura Nº10.
Figura Nº. 10 Pierna Colectora.Fuente: SPIRAX SARCO, 2000, “Design of Fluid Systems”, Hook Ups, Steam Utilization, Allentown, pp.15
La separación entre puntos de drenaje de condensado en tuberías que conducen
vapor saturado debe ser de ½” en cada 100 pies y en tramos rectos cada 30 o 50
metros, figura 11.
Figura Nº. 11 Drenaje de condensado.
Ing. José Luis Palacios E.
1
1.1.3 USO DE VAPOR
El vapor como agente de contenido energético puede emplearse en equipos de
calentamiento, es decir, para intercambio de energía con otro fluido generalmente
agua en estado líquido como por ejemplo en marmitas o con el aire en secadores. En
este caso el vapor una vez que cede energía retorna como condensado cerrando el
ciclo del sistema de vapor.
Dependiendo del proceso es necesario que el vapor saturado tenga el menor
contenido de humedad posible, lo cual se consigue mediante la instalación de
separadores de vapor, figura Nº12.
Figura Nº. 12 Separador de vapor.Fuente: SPIRAX SARCO, 2000, “Design of Fluid Systems”, Hook Ups, Steam Utilization, Allentown, pp.15
También debido a la resistencia de los materiales empleados en los serpentines de
vapor, se requiere que la presión del fluido sea disminuida antes de ingresar al
equipo con válvulas reguladoras de presión PRV, que pueden ser de acción directa,
controlada internamente o de acción externa, siendo la exactitud de ±10%, ±5% y
±1% de reducción de presión, respectivamente. Al disminuirse la presión del vapor
este aumenta de volumen, siendo evidente este efecto mediante el aumento del
volumen específico en las tablas termodinámicas; por lo tanto se requiere el aumento
del diámetro de la tubería después de PRV.
También, el vapor a menor presión tiene mayor calor latente, es decir, que cada
unidad de masa de vapor contiene más energía, entonces el empleo de PRV
disminuye el consumo de vapor.
Otra aplicación del vapor es como materia prima en el proceso, es decir, el vapor es
parte esencial del proceso especialmente en la industria alimenticia para la cocción
de productos. En este caso hay que tomar en cuenta que el vapor no va a retornar
Ing. José Luis Palacios E.
2
como condensado y esta cantidad no devuelta al sistema debe ser compensada con
el ingreso de agua de reposición al tanque de alimentación del generador de vapor.
Cuando se requiere vapor con ciertas propiedades de asepsia que se emplea para
la cocción directa de productos alimenticios existen filtros que garantizan que el
vapor tenga las cualidades adecuadas para su uso, este vapor se conoce como
vapor sanitario.
Según el proceso en el cual se requiera vapor para uso directo, es necesario que el
vapor tenga ciertas cualidades, entonces el vapor se llama vapor limpio. Este término
puede ser empleado para describir vapor filtrado, vapor limpio o vapor puro. El
primero de ellos se consigue con la instalación de un filtro altamente eficiente, que
remueve partículas con un tamaño mayor a 2.8 micrones. El vapor filtrado se usa
para inyección directa en productos alimenticios, vapor culinario, o en esterilizadores
y autoclaves, figura 13.
Vapor limpio se obtiene mediante un generador de vapor de agua destilada y el
vapor puro se consigue de forma muy similar al anterior.
Figura Nº. 13 Obtención de vapor filtrado.Fuente: SPIRAX SARCO, 2000, “Design of Fluid Systems”, Hook Ups, Allentown, pp.50
1.1.4 RETORNO DEL CONDENSADO
Una vez que se produce el intercambio energético según el proceso requerido el
vapor se condensa y retorna para que se cierre el ciclo. Es necesario resaltar que el
condensado es agua destilada tratada, con un contenido energético importante y por
lo tanto debe ser recolectada para volver al ciclo de generación de vapor.
Ing. José Luis Palacios E.
2
La recuperación de condensado puede ahorrar de 20 a 25% de los costos de
generación de vapor de la planta.
Un error común que se comete a nivel industrial es la falta de recuperación del
revaporizado o vapor flash mediante tanques dispuestos para este propósito
ubicados antes del tanque de condensado.
Los diseños de plantas industriales hasta los años ochentas no consideraban el
dimensionamiento de tuberías para la circulación de revaporizado.
El revaporizado es vapor con considerable contenido de energía que puede ser
empleado para aplicaciones de baja presión como el calentamiento del agua de
alimentación de la caldera.
Se debe tener en cuenta que la utilización de vapor flash en el tanque de
alimentación traerá un aumento de la temperatura del agua, pudiendo producirse
cavitación en la bomba de alimentación. Si este fenómeno ocurriera una solución
sería aumentar la altura de succión de la bomba.
Con el empleo del vapor flash se garantiza una eficiencia adecuada en todo el
proceso de generación, distribución, consumo y retorno de condensado del sistema
de vapor de una planta.
Ing. José Luis Palacios E.
3
1. TRAMPAS DE VAPOR
La importancia del mantenimiento adecuado de trampas de vapor comprende
aspectos tanto económicos como de seguridad.
1.1 FUNCIONES
Una vez que el vapor ha cedido su energía en los procesos requeridos se produce el
cambio a fase líquida, condensado. El cual debe ser removido por elementos
destinados específicamente para este fin de manera eficiente; los elementos del
sistema de vapor encargados para ello son las trampas o purgadores de vapor.
Las trampas de vapor establecen el límite entre el vapor y el condensado, por lo
tanto si existen fallas en su operación se tendrá como resultado escape de vapor,
existiendo por consiguiente pérdidas de energía y pérdidas económicas.
Las funciones de las trampas de vapor son:
• Remover el condensado tan rápido como este se forme por la transferencia
de energía. Si el condensado no es removido, este reduce la capacidad de
flujo de las líneas de vapor y la capacidad de transferencia de calor del
Ing. José Luis Palacios E.
2
equipos. Además, el exceso de condensado puede producir golpe de ariete
hidráulico con resultados potenciales destructivos y peligrosos.
• Evacuar el aire del interior del sistema para mantener una adecuada
transferencia de calor. El aire que permanece después que el sistema ha
empezado a operar, reduce la presión de vapor y la temperatura reduciendo la
capacidad térmica de los equipos.
• Desalojar los gases no condensables CO2 y el Oxigeno. Los gases no
condensables como el oxígeno y el dióxido de carbono causan corrosión en
las tuberías.
• Limitar el paso del vapor si este no ha transferido su energía.
Las trampas de vapor deben ofrecer:
1. Pérdida Mínima de Vapor.
2. Larga Vida y Servicio Seguro. El desgaste rápido de sus partes resulta en un
aumento de reparaciones, mantenimiento no programado y limpieza.
3. Resistencia a la Corrosión. Al trabajar con aire, oxígeno y dióxido de carbono
las partes internas de las trampas deben ser resistentes a estos gases.
4. Venteo de Aire. El aire se puede mezclar con el vapor en el arranque del
proceso, limitando la transferencia de calor y bloqueándolo.
5. Venteo de CO2. Mediante el venteo de CO2 a la temperatura del vapor se
evita la formación de ácido carbónico, por lo tanto la trampa de vapor debe
operar a una temperatura igual o cercana a la temperatura de del vapor. El
CO2 se disuelve en condensado que se ha enfriado a temperatura menor que
el vapor.
6. Funcionamiento con Contrapresión. Presurización de las líneas de retorno
puede ocurrir por diseño o por mal funcionamiento, una trampa de vapor debe
ser capaz de funcionar con contrapresión en la tubería de retorno al sistema.
7. Libre de Problemas de Suciedad. El condensado recoge las impurezas de
tuberías y de equipos de proceso, así como partículas sólidas acarreadas
Ing. José Luis Palacios E.
2
desde la caldera, aún con la instalación de filtros en las líneas de ingreso,
pequeñas partículas pasa a las trampas y estas deben ser capaces de trabajar
con la presencia de ellas.
Una trampa que ofrezca estas características, permitirá una mayor eficiencia en el
sistema y una disminución en los costos, permitiendo al sistema lograr:
– Calentamiento rápido y temperaturas máximas en las unidades para una
mejor transferencia de calor.
– Funcionamiento a máxima capacidad.
– Ahorro de energía.
– Mantenimiento mínimo.4
1.1 TIPOS
El objetivo de las trampas de vapor no es una tarea fácil, las presiones del
condensado y caudales varían significativamente en varios puntos del sistema de
distribución de vapor. Como resultado, varios tipos de trampas de vapor han sido
desarrolladas con este propósito.
Las trampas de vapor son comúnmente clasificadas por el proceso físico que causa
la apertura o cierre de las mismas. Existen tres principales categorías de trampas de
vapor: mecánicas, termostáticas y termodinámicas. Además, varias trampas de vapor
combinan características de más de una de estas categorías básicas para asegurar
un funcionamiento óptimo.
1.1.1 MECÁNICAS
La operación de estas trampas de vapor es debido a la diferencia de densidades
entre el condensado y el vapor. El condensado descansa en el fondo de un
recipiente que contiene dos fluidos, vapor y líquido. Mientras el condesado es
generado, su nivel en el recipiente aumentará. Esta acción es transmitida a una
válvula. Un tipo común de este tipo de trampas de vapor son las trampas de balde
invertido.
4 Almagro, E., 2008, “Ahorro de Energía en Sistemas de Distribución de Vapor”, EPN, pp. 6-7
Ing. José Luis Palacios E.
2
La operación completa de las trampas de balde invertido se describe a continuación:
1. Al inicio de la operación el balde se encuentra en su posición más baja y la
válvula de descarga se encuentra completamente abierta. Cuando el flujo
inicial de condensado ingresa a la trampa, fluye bajo el borde inferior del
balde, llena el cuerpo de la trampa y sumerge completamente el balde. El
condensado sale a través de la válvula completamente abierta y se descarga
a la tubería de retorno de condensado, figura Nº 14.
Figura Nº. 14 Trampa de balde invertido descargando condensado, válvula abierta.
2. El vapor ingresa al interior del balde invertido acumulándose en la parte
superior, provocando que el balde empiece a flotar. Al elevarse el balde la
válvula situada en la palanca se posiciona en su asiento cerrando
herméticamente la línea de salida. Los gases no condensables pasan
continuamente por un orificio de venteo del balde acumulándose en la parte
superior. El vapor que escapa por el orificio se condensa por el mecanismo de
transferencia de calor de radiación del cuerpo de la trampa de vapor. El orificio
debe ser lo suficientemente pequeño para evitar pérdidas excesivas de vapor.
Ing. José Luis Palacios E.
1
Figura Nº. 15 Trampa de balde invertido, válvula cerrada.
3. Cuando el condensado empieza a llenar el balde, este ejerce una fuerza sobre
la palanca de la válvula, al aumentar el nivel de condensado mayor es la
fuerza ejercida en la palanca, la válvula se abre cuando la fuerza ejercida es
suficiente para vencer la presión diferencial de la válvula. Al abrirse la válvula
completamente sale el aire acumulado con gases incondensables, en la parte
superior seguido del condensado. El flujo que hay bajo el borde del balde
levanta impurezas, descargándola hacia la línea de retorno de condensado.
La descarga continua hasta que llegue más vapor que permita flotar el balde y
reiniciar el ciclo nuevamente.
Figura Nº. 16 Trampa de balde invertido, evacuación del condensado y gases
incondensables.
Entre algunas características de este tipo de trampas de vapor se encuentran:
Ing. José Luis Palacios E.
1
– El desgaste generado por fricción en los elementos internos es mínimo.
– Los elementos internos de acero inoxidable son fácilmente
intercambiables.
– El mecanismo de apertura de la válvula está diseñado para la máxima
descarga.
– Los elementos internos de la trampa resisten golpe de ariete.
– Los puntos de desgaste de la trampa están reforzados para una vida útil
más larga, en el caso de la válvula de cierre su diseño permite un mejor
asiento con el desgaste.
– Por su diseño este tipo de trampas se encuentran libres de problemas de
obstrucciones por partículas sólidas, el flujo rápido de descarga de
condensado genera una corriente que eleva las impurezas acumuladas en
el fondo.
– Se puede emplear en sistemas con presiones elevadas y para vapor
sobrecalentado.
– Si la presión de salida ó contrapresión es igual a la presión de entrada la
descarga se vuelve continua.
– Debe existir un sello de agua alrededor del borde del balde para iniciar el
ciclo de trabajo. Esto se logra mediante el ingreso de una pequeña
cantidad de agua cuando se instala la trampa por primera vez.
1.1.1 TERMOSTÁTICAS
La operación de las trampas termostáticas se fundamenta en la diferencia de
temperatura entre el vapor y condensado, mediante la expansión o contracción de un
elemento bimetálico o de un fuelle lleno de líquido. Una trampa de vapor bimetálica y
de fuelle se indican en las figuras Nº17 y 18, respectivamente.
Ing. José Luis Palacios E.
1
Figura Nº. 17 Trampa de vapor termostática, bimetálica.Fuente: U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment” , pp. 6
Figura Nº. 18 Trampa de vapor termostática, fuelle.Fuente: U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment” , pp. 6
Aunque ambos tipos de trampas termostáticas se cierran cuando están expuestas al
vapor, existen importantes diferencias en las características de diseño y operación.
La presión de ingreso hace que la válvula trabaje en la trampa bimetálica, mientras la
expansión del elemento bimetálico trabaja en la dirección opuesta. Fíjese, que la
presión de salida afectará la temperatura a la cual la válvula se abre o cierre.
Además, la relación no-lineal entre la presión y temperatura requiere un diseño
cuidadoso del elemento bimetálico para una respuesta adecuada a diferentes
presiones de operación.
La presión de ingreso y salida tienen un efecto contrario en las trampas de fuelle, un
incremento en la presión de ingreso tiende a cerrar la válvula y viceversa. Mientras
temperaturas elevadas cierran la válvula, la relación entre la temperatura y el fuelle
de expansión puede ser realizada variando significativamente por el cambio del fluido
contenido en el fuelle.
Ing. José Luis Palacios E.
1
En contraste a las trampas de balde invertido, ambos tipos de trampas termostáticas
permiten la purga rápida de aire al inicio del proceso.
Como las trampas de balde invertido trabajan según la diferencia de densidades de
los fluidos para activar su válvula, entonces no se distingue entre aire y vapor.
Purgándose aire y cierta cantidad de vapor a través de un pequeño orificio.
Por otra parte, una trampa termostática opera según la diferencia de temperaturas
para activar su válvula. Hasta que se caliente por vapor su válvula permanece
abierta, permitiendo salir al aire fácilmente. Después que la trampa se calienta, su
válvula se cierra y no se produce una pérdida de vapor. Recociendo esta deficiencia
con las trampas de balde invertido y trampas mecánicas se llevó al desarrollo de las
trampas de flotador y termostato. La expulsión del condensado es impulsado por el
nivel de condensado en el interior de la trampa, mientras que la purga del aire se
realiza por la diferencia de temperatura.5
Su funcionamiento en detalle se explica a continuación:
1. Al arrancar el sistema, el aire sale por el venteador termostático. Después se
tiene una gran cantidad de condensado que eleva el flotador y abre la válvula
de descarga. El aire continúa saliendo por la válvula de venteo termostático,
figura Nº19.
Figura Nº. 19 Trampa de flotador y termostato, purga del aire.
2. Al ingresar vapor al interior de la trampa, el venteador termostático se cierra al
registrar una elevación de temperatura. El condensado sigue fluyendo a través
5 U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment” , Federal Technology Alerts, Pacific Northwest National Laboratory, pp. 5-6
Ing. José Luis Palacios E.
2
de la válvula de descarga, la apertura de la válvula es suficiente para
descargar el condensado con la misma rapidez con la que forma, figura Nº20.
Figura Nº. 20 Trampa de flotador y termostato, ingreso de vapor.
3. Cuando se ha acumulado aire en la trampa la temperatura cae por debajo de
la temperatura de vapor saturado. En ese momento el venteador se abre y
descarga el aire.
Las características de las trampas de flotador y termostato son las siguientes:
– Funcionamiento confiable a presión variable.
– Manejo de cargas variables de condesado y gran capacidad de venteo de
aire y gases no condensables.
– Respuesta inmediata para descargar condensado.
– Resistente al golpe de ariete.
Una variante de la trampa de Flotador y Termostato es la trampa de Flotador libre, en
la que el cierre de la válvula de descarga lo realiza el cuerpo de la esfera ó flotador.
La ventaja de este tipo de trampa es que no existe desgaste de la válvula de cierre
en el punto de contacto de la descarga puesto que esta presenta innumerables
puntos de contacto por lo que su vida útil es mayor.
Ing. José Luis Palacios E.
1
1.1.1 TERMODINÁMICAS
Las trampas termodinámicas operan por la diferencia de presiones del vapor y
condensado, con la presencia de vapor y condensado su diseño es influenciado por
la velocidad de flujo local y presión. La trampas termodinámicas pueden ser de disco,
pistón o de palanca. Cuando condensado subenfriado ingresa en la trampa
incrementa la presión y eleva el disco de su asiento y permite el flujo de condensado
en la cámara y afuera de la trampa. La abertura estrecha de ingreso resulta en un
incremento localizado de velocidad y un decremento de la presión mientras el
condensado fluye por la trampa, explicado por la ecuación de Bernoulli. Mientras el
condensado ingresa se produce un incremento en su temperatura esto produce que
una porción se revaporice por la caída de presión localizada. Esto incrementa la
velocidad y disminuye la presión aún más, causando que el disco se cierre. La
presión moderada del revaporizado o vapor flash en la parte superior del disco actúa
sobre toda la superficie del disco, creando una fuerza mayor que la presión del vapor
y el condensado en el ingreso. Finalmente, el intercambiador del disco se enfría y el
vapor flash se condensa y el condensado tendrá de nuevo una presión adecuada
para elevar el disco y repetir el ciclo.
La siguiente figura, indica las partes y funcionamiento de una trampa termodinámica
de disco.
Figura Nº. 21 Trampa termodinámica de disco.Fuente: U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment” , pp. 7
Algunas características de las trampas termodinámicas son:
Ing. José Luis Palacios E.
1
– Trabajan en el rango total de presiones, máximo y mínimo.
– Se emplean con vapor sobrecalentado y a altas presiones.
– No presentan daño por efecto del golpe de ariete.
– Manejan una gran cantidad de condensado respecto a su tamaño, en
función de la medida de la conexión.
– Presentan bajo rendimiento al trabajar en exteriores. Existen marcas que
presentan modelos con cubiertas para trabajar en exteriores.
– Dificultad de descarga si la contra presión sube hasta un 50 % de la
presión de entrada.
1.1 PRINCIPIOS DE SELECCIÓN
Existiendo tres tipos de trampas de vapor, es importante realizar su selección
adecuada fundamentándose principalmente en el equipo de proceso, puesto que un
tipo determinado de trampa puede funcionar mejor que otro aumentando la
capacidad de transferencia de energía del vapor.
Existen cuatro criterios para la selección de trampas de vapor:
1. Carga de condensado del equipo
2. Factor de seguridad
3. Diferencia de presiones
4. Presión máxima de trabajo
El primer criterio es el más importante, las trampas o purgadores de vapor deben
seleccionarse dependiendo de la carga de condensado a evacuar y no del diámetro
de la tubería de conexión del equipo. La carga de condensado se determina en
función del equipo, existiendo formulaciones adecuadas para este propósito. Por lo
tanto es necesario conocer el funcionamiento del equipo en el cual se va a realizar la
instalación de la trampa o purgador de vapor.
El factor de seguridad F.S. es un criterio que se considera respecto a la
incertidumbre del flujo de condensado que puede descargar la trampa de vapor al
inicio de la operación de un equipo. En la siguiente tabla se indican estos valores.
Tabla Nº. 2 Factores de seguridad según la aplicación de la trampa de vapor.
Ing. José Luis Palacios E.
1
Aplicación F.S.Drenado de líneas 2 a 1Intercambiadores de calor 2 a 1Calentadores de agua vapor 3 a 1Evaporadores 4 a 1Cilindros rotativos 8 a 1
Fuente: Borroto, A., 2005, “Ahorro de Energía en Sistemas de Vapor”, Editorial Universidad de Cienfuegos, Cuba, pp. 86
La siguiente tabla, indica algunas recomendaciones para la selección de trampas de
vapor.
Tabla Nº. 3 Sugerencias de trampas de vapor según la aplicación.
Aplicación Primera Alternativa Segunda AlternativaSerpentines de calefacción de aire
Baja y media presiónAlta presión
flotador y termostatotermodinámica
Calentadores de agua
instantáneos y con almacenamiento flotador y termostatoIntercambiadores de calor
pequeños-alta presióngrandes-baja y media presiónrecalentadores
TermodinámicaFlotador y termostatoFlotador y termostato
Flotador y termostato
Recipientes de camisa de vapor
alta presión
baja presión
Termodinámica
Flotador y termostato
Flotador y termostato
TermodinámicaDrenaje de líneas principales de vapor
0-15 psig16-125 psig126-600 psig
Flotador y termostatoTermodinámicaTermodinámica
Flotador y termostatoBalde invertido
Calefacción de aire Termostática TermodinámicaRadiadores de vapor Termostática TermodinámicaSeparadores de vapor
0-15 psig16-125 psig126-600 psig
Flotador y termostatoTermodinámicaTermodinámica
Flotador y termostatoBalde invertido
Serpentines de tanques de almacenamiento Termostática de expansión líquida
Termodinámica
Serpentines de calefacción sumergidos
alta presiónbaja y media presión
TermodinámicaFlotador y termostato
Termostática
Calentadores unitarios Flotador y termostato Termodinámica
Ing. José Luis Palacios E.
2
Si el equipo opera a distintas presiones debe considerarse la carga de condensado
máxima a la presión mínima.
La diferencia de presiones es la existente entre la presión máxima de suministro de
vapor al equipo y la presión de descarga de condensado. Nótese que si el equipo
cuenta con una válvula reguladora de presión para el cálculo de la presión diferencial
tiene que considerarse la presión de vapor a la que el vapor ingresa al equipo, es
decir, después de la trampa de la PRV. La reducción de presión depende de las
condiciones de diseño de los equipos de proceso, por la tanto este valor vendrá
recomendado por el fabricante del mismo.
El último criterio a considerar para la selección de purgadores de vapor es la presión
máxima de trabajo de la trampa que vendrá determinado por el fabricante.
1.1 PRINCIPIOS DE INSTALACIÓN
Un aspecto que debe tenerse en cuenta en la instalación de trampas de vapor es que
la descarga de condensado de las trampas se realiza por gravedad, por la tanto en
líneas de descarga principales de condensado ubicadas a una altura del suelo
obligatoriamente deben colocarse válvulas unidireccionales después del purgador.
En este caso en particular para determinar la presión de descarga para fines de
cálculos se considera un valor empírico de 0.1 bar por cada metro de elevación de la
tubería de descarga de condensado desde el purgador hasta la conexión de la
tubería principal.
Para evitar que impurezas arrastradas por el flujo de vapor y condensado causen
problemas en las trampas de vapor se colocan filtros antes de los purgadores, que
tienen una malla retenedora para este fin.
El esquema general para la instalación de trampas de vapor se indica en la siguiente
figura.
Figura Nº. 22 Diagrama de instalación de trampas de vapor.
Ing. José Luis Palacios E.
3
Existen algunos modelos de trampas de vapor termodinámicas de disco que incluyen
un filtro de vapor en el cuerpo del purgador, reduciendo espacio para la instalación
en el equipo.
Existen cuatro principios para la instalación de trampas de vapor:
1. Instalar las trampas de vapor en lugares accesibles para su chequeo y
reparación.
2. Ubicar la trampa debajo del punto de recolección del condensado. Esto
elimina la acumulación de condensado y las oportunidades de congelamiento,
corrosión y golpe de ariete.
3. Colocar la trampa de vapor cerca del punto de evacuación. Una tubería larga
permite que el condensado se enfríe antes de su purga.
4. Instalar una sola trampa de vapor por cada unidad condensadora, más de un
equipo conectado a una sola trampa de vapor provocará el ingreso de
condensado al equipo que descargue condensado con menor presión, lo que
se conoce como corto circuito.
1. REVISIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE TRAMPAS DE
VAPOR
En la mayoría de industrias la energía consumida se emplea para generar vapor,
pero buena parte del vapor producido se pierde a través de fugas del sistema de
distribución de vapor, incluyendo tuberías, válvulas y trampas de vapor.
De la experiencia de auditorías energéticas se tiene que en plantas donde no existe
un control regular del estado de las trampas de vapor, es común encontrar
porcentajes entre un 30 y 65% de las mismas que no funcionan de manera
adecuada. Incluso en plantas donde existe un buen programa de mantenimiento
Ing. José Luis Palacios E.
2
estos porcentajes se sitúan entre el 5 y 10%. El porcentaje anual de purgadores en
mal funcionamiento en los Estados Unidos es del 20%, de acuerdo con Armstrong
fabricante internacional reconocido de elementos para sistemas de vapor.
Las pérdidas económicas por purgadores de vapor con mal funcionamiento pueden
ascender de 10 a 100 USD/día de trabajo.
La pérdida económica de las fugas de vapor, incluso en las más pequeñas es muy
elevada. Por ejemplo, un orificio de 4 milímetros de diámetro en una tubería de vapor
a 145 psig fuga 40 kilogramos de vapor por hora, lo que en valores anuales
representa 200 toneladas de vapor para una planta que trabaje en promedio
5000h/año.
Por lo expuesto anteriormente, para el funcionamiento eficiente del sistema de vapor,
en términos energéticos, económicos y ambientales, es imprescindible mantener un
programa de mantenimiento tanto del generador de vapor como de todos los
elementos del sistema, en especial de las trampas de vapor fundamentado en
métodos de inspección confiables.
2.1 MÉTODOS DE INSPECCIÓN
Existen cuatro métodos de inspección de las trampas de vapor: visual, acústico,
electrónico y térmico.
2.1.1 MÉTODO VISUAL
Se fundamenta en la observación de la descarga de las trampas de vapor, cuando
esta se realiza a la atmósfera, es decir, cuando existe recuperación de condensado.
El inspector de trampas de vapor debe reconocer entre vapor flash o revaporizado,
que es característico en el funcionamiento de los purgadores, y vapor vivo, presente
cuando la trampa falla en posición abierta. La diferencia entre vapor vivo y vapor
flash se aprecia en la siguiente figura.
Ing. José Luis Palacios E.
1
a) b) Figura Nº. 23 a) Vapor vivo y b) vapor flash.
Fuente: U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment” , pp. 8
También, se pueden emplear los vidrios de observación para realizar la inspección
visual. Existiendo algunos inconvenientes:
Primero, vapor y condensado existen en la trampa de vapor, vapor vivo en el ingreso
y condensado en la descarga. Segundo, la visión a través del cristal tiende a
deteriorarse en el tiempo por la suciedad externa e interna del visor. Tercero, ambos
vapor y condensado son fluidos claramente diferenciables dentro de la tubería. El
visor de vidrio ha sido desarrollado con características internas que permitan la
identificación de la proporción de vapor y condensado. Un visor incorporado en una
tubería se indica en la figura 24. La figura 25, indica la operación correcta de una
trampa de vapor y una trampa fallando en el modo abierta. La figura 26, en cambio
indica una trampa inundada. Puede deberse por formación de exceso de
condensado durante el inicio del proceso que el purgador subdimensionado no
puede descargar, a un bloqueo en el sistema de retorno de condensado o la trampa
de vapor falla en el modo cerrado.
Ing. José Luis Palacios E.
1
Figura Nº. 24 Visor.Fuente: U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment”, pp. 8
a) b) c)
Figura Nº. 25 Operación de una trampa de vapor, a) normal, b) abierta, c) trampa inundada.
Fuente: U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment”, pp. 8
Se debe tener extremo cuidado cuando las trampas se encuentran cerradas, puesto
que aparte de causar problemas de transferencia de energía, estas pueden provocar
daños al equipo y en el peor de los casos que este salga despedido causando daños
a las personas circundantes al mismo.
En la siguiente tabla se indica el flujo de vapor perdido por fugas en función del
diámetro del orificio y de la presión.
Tabla Nº. 4 Flujo de vapor perdido por fugas.
Ing. José Luis Palacios E.
1
Fuente: U E Systems Inc., http://uesystems.com/pdf/Steam%20Trap%20Inspection%20Guide.pdf
2.1.2 MÉTODO ACÚSTICO
Mecanismos dentro de las trampas de vapor, flujo de vapor y condensado a través
de las trampas generan sonidos audibles para el oído humano por medio de
Ing. José Luis Palacios E.
2
estetoscopios y sonidos supersónicos verificables mediante el empleo de equipos
especiales.
El estetoscopio consiste en una sonda metálica que al ponerla en contacto con la
trampa de vapor, transmite vibraciones a los auriculares a través de una membrana.
Su uso requiere cierta experiencia en el discernimiento de los sonidos y tiene el
inconveniente de que cuando hay varias trampas de vapor próximas, las tuberías
transmiten las vibraciones que pueden causar errores de diagnóstico.
Para detectar los sonidos ultrasónicos se emplea un equipo llamado detector
ultrasónico de trampas de vapor, que se fundamenta en el principio físico de que un
fluido al pasar por un orificio restringido, produce vibraciones de elevada frecuencia,
no captadas por el oído humano, ultrasonido.
El detector ultrasónico de trampas de vapor consiste en una sonda de contacto o
receptor de ultrasonidos, un convertidor de señales de ultrasonidos en impulsos
eléctricos con amplificadores, filtros y convertidor de la señal en sonido audible.
Resulta extremadamente útil para realizar diagnósticos precisos del funcionamiento
de las trampas de vapor, especialmente cuando el equipo consta de un almacenador
de datos que permite su análisis en un ordenador mediante diagramas de nivel de
presión sonoro versus tiempo.
La siguiente figura indica la sonda del detector ultrasónico de trampas de vapor
durante su inspección.
Ing. José Luis Palacios E.
1
Figura Nº. 26 Revisión ultrasónica.Fuente: U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment”, pp. 8
Los diferentes tipos de trampas de vapor producen diferentes sonidos en su
operación. Un operador o técnico puede ser entrenado para reconocer estos sonidos.
Las trampas de balde invertido fallan, por lo regular, en posición abierta, dando como
resultado un sonido continuo similar al vapor cuando pasa por la trampa, el balde
también puede ser oído cuando golpea con el cuerpo de la trampa.
Las trampas de flotador y termostato normalmente fallan en la posición cerrada. Un
pequeño orificio en el flotador de la trampa hará que este por su propio peso, caiga
hacia abajo. En estos la trampa no cierra correctamente y no se oirá ningún sonido.
Alternativamente, si la trampa tiene fallas en la posición abierta, un sonido continuo
será oído, como cuando el vapor pasa a través de la trampa.
Las trampas termodinámicas generalmente fallan en la posición abierta, permitiendo
el paso continuo de vapor. Si la trampa opera normalmente el detector de ultrasonido
puede registrar el sonido del disco en forma cíclica de 4 a 10 veces por minuto.
Cuando las trampas termostáticas fallan en la posición cerrada lo hacen en forma
silenciosa, mientras que aquellas que fallan en posición abierta producen un sonido
continuo de vapor. En operación normal el detector será capaz de registrar el sonido
del ciclo de apertura y cierre.6
6 Borroto, A., 2005, “Ahorro de Energía en Sistemas de Vapor”, Editorial Universidad de Cienfuegos, Cuba, pp. 91-92
Ing. José Luis Palacios E.
1
2.1.3 MÉTODO ELECTRÓNICO
Este método consiste en la utilización de sensores electrónicos para medir la
conductividad del condensado en una cámara que se instala antes de la trampa de
vapor, figura 27.
Figura Nº. 27 Instalación para verificación del funcionamiento de la trampa de vapor.Fuente: SPIRAX SARCO, 2000, “Design of Fluid Systems”, Hook Ups, Allentown, pp.57
El sensor instalado en la cámara, detecta la presencia de condensado y oprimiendo
un botón en un indicador portátil, se cierra el circuito que indica que la trampa está
trabajando correctamente.
Si la trampa falla en la posición abierta, un volumen relativamente grande de vapor
fluye hacia ella, lo que ocasiona una depresión del nivel de condensado del lado que
se alimenta la cámara, dejando descubierto el sensor e interrumpiendo el circuito
eléctrico, con lo cual el indicador portátil señalará que la trampa está fallando.
Mediante conexiones inalámbricas se puede verificar el funcionamiento en tiempo
real de las trampas de vapor durante todo el tiempo de trabajo de las mismas,
llevándose registros que permiten agilitar tareas de mantenimiento ahorrando dinero
y tiempo.
Ing. José Luis Palacios E.
1
2.1.4 MÉTODO TÉRMICO
La medición de la temperatura de la trampa de vapor es considerado el método
menos confiable para la inspección de purgadores, porque vapor saturado y
condensado tienen la misma temperatura, por lo tanto es difícil diferenciar cuando la
operación de la trampa es adecuada o no.
Aunque la información que provee este método es relevante, especialmente cuando
la trampa falla en posición cerrada su temperatura será menor por acumulación de
condensado.
Para este método se pueden emplear termómetros, termocuplas y otros dispositivos
de contacto y termómetros infrarrojos que permiten una evaluación más rápida.
1. APLICACIÓN DEL MÉTODO ULTRASÓNICO
El método más común para realizar la inspección de una trampa de vapor con el
método ultrasónico es colocar la sonda de prueba en la tubería de la descarga del
purgador. Ajustando la sensibilidad en el punto donde los sonidos de la trampa son
escuchados. De manera general, se recomienda realizar esta operación en todo el
cuerpo de la trampa de vapor para determinar el mejor punto de audición que permita
realizar un diagnóstico adecuado de su funcionamiento.
Ing. José Luis Palacios E.
2
A continuación se procede a dar ciertas putas de cada tipo de trampa de vapor.
2.
2.1 RECOMENDACIONES DE CADA TIPO DE TRAMPA
2.1.1 BALDE INVERTIDO
Normalmente fallan en la posición abierta, entonces el vapor fuga de manera directa.
Aparte del sonido del vapor vivo pasando por la trampa de vapor, otra clave para
identificar que la trampa está abierta es escuchar el balde chocando con el cuerpo de
la trampa.
2.1.2 TERMODINÁMICA
Su modo de falla es en la posición abierta, en la cual se puede escuchar al disco
golpeando contra la tapa varias veces sin detenerse.
2.1.3 TERMOSTÁTICA
Cuando este tipo de trampas fallan en la posición cerrada no se registrará ningún
sonido un ligero sonido indicará la presencia de fuga de vapor.
2.1.4 FLOTADOR Y TERMOSTATO
Cuando la trampa de vapor de flotador y termostato opera correctamente el flotador
asciende y desciende en un depósito de condensado, el cual mantiene la válvula de
descarga abierta. Cuando se analizada esta condición, un sonido modulante de la
descarga de condensado es escuchado. Este tipo de trampa normalmente falla en la
posición cerrada. Cuando la trampa falla en esta posición no se escucha ningún
sonido y la trampa permanece fría. Además, durante la operación de la trampa
puede escucharse el sonido del termostato descargando aire y gases no
condensables.
En las siguientes figuras se indican diagramas de la revisión del funcionamiento de
trampas de vapor reales obtenidos de inspecciones a plantas de proceso.
Ing. José Luis Palacios E.
1
Figura Nº. 28 Fuga de vapor en la brida de una tubería principal de vapor.
Al analizar la figura anterior Nº28, se observa que el comportamiento de una fuga es
constante en el tiempo, en cuanto al nivel de presión sonora que esta emite. Siendo
en valor de emisión elevado que corresponde a un valor promedio de 60 dB.
Las siguientes figuras Nº30 y 31 presentan los diagramas de la trampa de vapor en
dos condiciones; la trampa abierta y el de una trampa del mismo tipo que la que se
indica en la fig. Nº30 nueva, respectivamente.
Figura Nº. 29 Trampa de vapor abierta, con el disco rebotando dentro de la tapa de la
trampa.
Ing. José Luis Palacios E.
1
Figura Nº. 30 Trampa de vapor nueva, funcionamiento correcto.
Figura Nº. 31 Trampa de flotador y termostato ¾” abierta.
Ing. José Luis Palacios E.
1
Figura Nº. 32 Trampa de flotador y termostato de 1”, funcionamiento correcto. Los
círculos de color azul representan la descarga del termostato.
Figura Nº. 33 Trampa termodinámica de ½”, los círculos azules representan la fuga
de vapor en la tapa.
Ing. José Luis Palacios E.
1
Figura Nº. 34 Trampa de vapor de balde invertido de ¾”, funcionamiento correcto.
Figura Nº. 35 Trampa de balde invertido ½”, cerrada requiere revisión urgente.
Ing. José Luis Palacios E.
2
1. GESTIÓN DEL MANTENIMIENTO DE TRAMPAS DE
VAPOR
Existen una serie de acciones para que el mantenimiento de las trampas de vapor
sea efectivo y permita realizar un seguimiento fiable del funcionamiento de los
purgadores.
La justificación para llevar a cabo un programa de mantenimiento de trampas de
vapor se halla en la eliminación de vapor perdido por trampas de vapor abiertas con
la disminución de energía y el consecuente ahorro económico. Se debe tener en
cuenta también el aspecto ambiental como justificación para llevar a cabo el
programa puesto que si se ahorro vapor, también se estará disminuyendo el
consumo de combustible fósil del generador, tenga en cuenta que por cada galón de
bunker o diesel, combustibles muy usados en la industria, que se combustiona se
emiten 22.384 libras masa de dióxido de carbono a la atmósfera.7
2.
2.1 REGISTRO DE TRAMPAS DE VAPOR
En ciertas plantas industriales donde no existe un plano del sistema de vapor y se
requiere de forma inmediata realizar la inspección de las trampas de vapor. Lo
7 http://www.eia.doe.gov/oiaf/1605/coefficients.html
Ing. José Luis Palacios E.
2
primero que se debe realizar es la identificación de los purgadores mediante una
etiqueta que sea visible, es decir, se realizará una identificación en sitio, figura 37.
Se recomienda realizar la identificación de trampas de vapor siguiendo el sentido de
flujo de vapor por el sistema distribución.
Con la identificación de cada purgador, se procede a levantar información para
llevarla a un registro inicial que contendrá: un código de identificación, el tipo de
trampa, la localización, es decir, el equipo de consumo en el que se encuentra
instalado, y algo muy importante como es el modo de operación: continuo o por
proceso. Una acción relevante es determinar el porcentaje del tipo de trampas de
vapor existentes en la instalación.
Una vez realizado este paso y coordinando actividades con las personas
responsables de la planta industrial se procede a realizar la inspección del
funcionamiento de trampas de vapor. Se recomienda tener extremo cuidado con las
tuberías de vapor que de vapor que no se encuentran aisladas y de manera general
en todo el sistema de distribución para evitar quemaduras y lesiones.
Los resultados de la inspección se registran en un formato en el que debe constar: el
código de la trampa, el funcionamiento: correcto, abierta, cerrada; novedades
encontradas y el método de inspección utilizado.
La inspección finalmente culmina con un informe en el cual se muestre el registro
inicial de los purgadores, los resultados de la inspección con el porcentaje de
trampas con un funcionamiento inadecuado, conclusiones y recomendaciones. Se
Ing. José Luis Palacios E.
Figura Nº. 36 Etiquetas de identificación de trampas de vapor.
3
debe sugerir continuar con el seguimiento de la revisión de trampas de vapor con un
método de inspección confiable.
2.2 FRECUENCIA DE INSPECCIÓN
El primer informe de la inspección de trampas es el paso inicial para la instauración
un programa de mantenimiento de estos elementos del sistema de vapor hay
muchos pasos que seguir para que se logré el resultado esperado, que es reducir el
porcentaje de trampas abiertas o cerradas.
Para ello se debe establecer una frecuencia de inspección de los purgadores, tabla
Nº5.
Tabla Nº. 5 Recomendación de frecuencia de inspección de trampas de vapor.
Descripción ComentarioFrecuencia de MantenimientoDiario Semanal Mensual Anual
Inspección de trampas de vapor
Trampas de alta presión (250 psig o más), se recomienda una inspección diaria/semanal
X
Trampas de media presión (30-250 psig), se recomienda una inspección semanal/mensual
X
Trampas de baja presión, se recomienda una inspección mensual/anual
X
Reparación o reemplazo de trampas
Repare o reemplace cuando la inspección muestre que hay problemas. Generalmente, las trampas deben ser reemplazadas cada 3 o 4 años.
X
Cuando se reemplace las trampas, verifíquese que su dimensionamiento sea adecuado.
X
Fuente: http://www1.eere.energy.gov/femp/operations_maintenance/printable_versions/om_stchecklist.html
Si bien la tabla anterior debe es una recomendación válida, especialmente para la
implantación, de un programa de mantenimiento de trampas de vapor, la frecuencia
de revisión de los purgadores debe establecerse después en función del ritmo de
operación de la planta, pudiéndose por lo tanto aumentar o disminuir la frecuencia de
revisión.
Algo que no debe descuidarse tampoco cuando se realiza la inspección de trampas
de vapor es la limpieza de los filtros.
Ing. José Luis Palacios E.
2
3. INTRODUCCIÓN A LA TERMOGRAFÍA
La termografía es una técnica de mantenimiento predictivo que es usada para
monitorear las condiciones de maquinarias, estructuras y sistemas de una planta.
Esta técnica usa instrumentación diseñada para monitorear la emisión de energía
infrarroja, para determinar las condiciones de operación. Detectando anomalías
térmicas, es decir, áreas que se encuentran a mayor o menor temperatura a la que
se deberían encontrar normalmente.
La tecnología infrarroja se fundamenta en el hecho de que todos los objetos que se
encuentran a una temperatura mayor al cero absoluto emiten energía o radiación. La
radiación infrarroja es una forma de esa radiación emitida, cubre el espectro en el
rango de 0.7 a 100µm, muy superior al espectro visible.
Los sistemas ópticos de la tecnología infrarroja colectan la energía radiante y la
concentran en un detector, el cual la convierte en una señal eléctrica. Dispositivos
electrónicos amplifican la señal de salida y la procesan de manera que pueden ser
mostradas en forma digital y procesadas en imágenes de video que son llamadas
termogramas. Cada pixel del termograma tiene un valor de temperatura y el
contraste en la imagen se debe a la diferencia en la temperatura de la superficie del
objeto en estudio.
La inspección infrarroja es una técnica no destructiva para detectar diferencias
térmicas que indican problemas en el equipo. Se emplea para realizar inspecciones
en: cajas de velocidades, subestaciones eléctricas, motores, envolvente de
construcciones, rodamientos, líneas de vapor, etc.
3.1 EQUIPOS INFRARROJOS
La determinación de objetos empleando métodos infrarrojos es compleja porque
existen tres fuentes de energía térmica que pueden ser detectadas por un objeto: la
energía emitida por el objeto mismo, energía reflejada y la energía transmitida por el
objeto. Solo el primer tipo de energía es importante para el mantenimiento predictivo,
Ing. José Luis Palacios E.
2
las otras dos distorsionan la información infrarroja. Por lo tanto la energía transmitida
y reflejada debe ser filtrada. Además, se debe considerar la atmósfera entre el objeto
y el instrumento de medida. Vapor de agua y otros gases absorben radiación
infrarroja.
La mayoría de sistemas o instrumentos de monitoreo infrarrojo tienen filtros
especiales que pueden ser usados para evitar los efectos negativos de la atmósfera
circundante al objeto en estudio. Sin embargo el analista termográfico debe
reconocer que elementos del ambiente circundante al objeto pueden afectarán la
precisión de la información infrarroja para aplicar los filtros adecuados.
Hay tres tipos de instrumentos que pueden ser empleados para mantenimiento
predictivo: termómetros infrarrojos, escáneres lineales y sistemas de imágenes.
3.1.1 TERMÓMETROS INFRARROJOS
Son equipos diseñados para determinar la temperatura de un solo punto de la
superficie un objeto en estudio. Dentro de un programa de mantenimiento predictivo,
los termómetros infrarrojos pueden ser usados en conjunto con instrumentos de
análisis de vibraciones para monitorear la temperatura crítica de operación de
maquinaria o equipos de una planta industrial. Está técnica es usada para monitorear
las temperaturas de las cubiertas de rodamientos, bobinado de motores eléctricos,
tuberías de proceso.
3.1.2 ESCÁNERES LINEALES
Este tipo de instrumentos infrarrojos proveen un escaneo de una sola dimensión o
lineal de radiación, proveyendo información de la temperatura superficial de la
maquinaria. Tiene limitaciones en la aplicación del mantenimiento predictivo.
3.1.3 IMÁGENES INFRARROJAS
La mayoría de sistemas de imágenes infrarrojas funcionan como una cámara de
video. El usuario puede observar el perfil de imagen térmica de una amplia área
mirando a través del sistema óptico del equipo. Existe una gran variedad de equipos
de imagen térmica en el mercado, escáneres a color y blanco y negro.
Ing. José Luis Palacios E.
2
A continuación se mencionan algunos aspectos importantes para la selección de este
tipo de equipos:
– Portabilidad
– Facilidad de uso
– Rango de medición de temperatura
– Autonomía de operación
– Lentes intercambiables
– Capacidad de procesamiento de imágenes analógico/digital
– Sistema operativo para análisis de termogramas
El propósito de la inspección infrarroja es detectar y documentar problemas en
sistemas mecánicos o eléctricos.
Un gran porcentaje de problemas en sistemas eléctricos se presentan en ocurren en
terminaciones y conexiones especialmente aluminio cobre.
Se presenta una lista de problemas comunes en sistemas eléctricos:
– Paneles de control y centros de distribución de motores.
– Interruptores principales
– Paneles de distribución de interruptores automáticos
– Motores
– Transformadores
– Capacitores
– Fusibles
– Conductores de corriente, etc.
Por otra parte en sistemas mecánicos la termografía se emplea para determinar
puntos calientes, es decir, puntos que se encuentran a mayor temperatura que los
circundantes; donde se presentan pérdidas térmicas en tuberías aisladas
térmicamente, superficies de calderas y aislamientos en general.8
La siguiente figura indica el termograma de una tubería de vapor.
8 Mobley, R., 2008, “Maintenance Engineering Handbook”, Séptima Edición, Mc Craw Hill, Estados Unidos, pp. 7.105-7.113
Ing. José Luis Palacios E.
2
a) fotografía b) termograma en grila
c) termograma en mosaico
Figura Nº. 37 Termograma de una tubería de vapor.
2. CONTABILIDAD ENERGÉTICA
Ing. José Luis Palacios E.
2
La contabilidad energética se refiere a la traducción de todos los aspectos técnicos
involucrados con la generación de vapor en términos económicos.
Es de elevada importancia en esta sección la determinación de la eficiencia térmica
del generador de vapor. Existen dos métodos para determinarla un método directo en
el que interviene la energía útil de la caldera y el método indirecto en el que se
involucran parámetros de los gases combustionados. Se recomienda el empleo del
método indirecto para las plantas industriales en las cuales el vapor es utilizado
como materia prima de los procesos productivos y no retorna como condensado.
Se sugiere calcular la eficiencia térmica de un generador de vapor según la norma
Europea DIN EN 303-5, por ser un procedimiento completo.
2.1 EFICIENCIA DE LA CALDERA
La eficiencia térmica es el indicador de trabajo de un generador de vapor que
caracteriza el grado de aprovechamiento de la energía suministrada por el
combustible, es decir, la parte de esa energía que ha sido transferida al agente de
trabajo.
Para determinar la eficiencia de la caldera existen dos métodos: el método directo en
el que se relaciona directamente la producción de la caldera con el consumo y
determinar la eficiencia como el porcentaje que representa el calor útil y el calor
disponible, así:
ηd= Q1Qd x 100 , %
Donde:
Q1 calor útil, es el calor transferido al agente de trabajo
Qd calor disponible, constituye la energía de entrada al generador de vapor por
unidad de masa del combustible
El segundo método, es el método indirecto parte de determinar la suma de las
pérdidas térmicas expresadas en porcentaje del calor disponible y luego determinar
la eficiencia como porcentaje restante, así:
Ing. José Luis Palacios E.
3
ηi=100- qp , %
Donde:
qp sumatoria de pérdidas térmicas
Cálculo de pérdidas térmicas
a) Pérdidas de calor sensible con los gases de salida
Está asociada al hecho de que la energía de los gases de salida es superior a la del
aire y el combustible de entrada.
q2=K tg-ta(CO2-CO), %
Donde:
tg temperatura de los gases de escape, °C
ta temperatura del aire ambiente, °C
CO2, CO porcentaje en volumen de dióxido de carbono y monóxido de carbono
contenido en los gases de escape.
K constante que depende del tipo de combustible denominada coeficiente de
Hassentein. Para fuel oil se puede tomar K=0.56-0.58
b) Pérdidas de calor por combustión incompleta
Es la pérdida asociada a la presencia de productos de combustión incompleta (CO,
H2, CH4) en los gases de combustión y que está provocada por la no entrega del
poder calorífico de los mismos durante la reacción de combustión.
Para una evaluación aproximada de la pérdida por combustión incompleta puede
utilizarse la siguiente expresión recomendada por la DIN.
q3= 60 COCO2+CO x 100 , %
Donde:
CO2, CO porcentaje en volumen de dióxido de carbono y monóxido de carbono
contenido en los gases de escape.
c) Pérdida de calor por radiación y convección
Durante el funcionamiento de los generadores de vapor, las superficies exteriores del
horno y los conductos, los colectores, el domo, conductos de gases, tuberías, etc.,
Ing. José Luis Palacios E.
2
alcanzan una temperatura superior a la ambiental. Este gradiente de temperatura
genera una transferencia de calor al medio exterior que se efectúa por dos
mecanismos fundamentales: convección y radiación, lo que representa una pérdida
de calor, en ocasiones significativa, que afecta la eficiencia del generador de vapor.
La magnitud de esta pérdida de calor depende fundamentalmente de las
dimensiones de la unidad (capacidad nominal), de la temperatura y velocidad del aire
exterior.
Esta pérdida de calor es usualmente pequeña en generadores de vapor de media y
alta capacidad, pero se convierte en una de las principales pérdidas en calderas de
pequeña potencia.
Son dos causas principales que pueden provocar un incremento de esta pérdida
durante la explotación:
• El deterioro del aislamiento térmico
• La operación de cargas reducidas
a) Pérdidas con el calor físico de los residuos del horno, q6
Esta pérdida solo tiene significado para combustibles sólidos y está dad por la
extracción de residuos de combustible del horno (escoria y cenizas) con una
temperatura superior al medio ambiente.
b) Pérdidas por purgas
Esta pérdida está asociada a la diferencia de temperatura entre el agua (saturada)
extraída de la caldera para mantener la concentración de sustancias perjudiciales
dentro del rango recomendado y el agua de alimentación.
Q7= Dp(hls-haa)/Bc
Donde:
Q7 calor perdido con las purgas por unidad de combustible, KJ/kg
Dp gasto de agua extraída, Kg/h. Este gasto oscila entre el 1 y 4 % del gasto del
vapor
hls entalpía del agua de la caldera (líquido saturado a la presión del domo), KJ/kg
haa entalpía del agua de alimentación, KJ/kg
Bc gasto de combustible, kg/h
Ing. José Luis Palacios E.
1
c) Consumo de energía en necesidades propia
Se refiere al requerimiento energético de sopladores de aire, calentadores de
combustible, etc. Elementos necesarios para la operación del generador de vapor.
Qnp=qnpBc, KJ/kg
Donde:
Qnp consumo de energía en necesidades propias por unidad de masa de
combustible consumido, KJ/kg
qnp consumo de energía en necesidades propias por unidad de tiempo, KJ/h
Bc gasto de combustible, kg/h
2.1 COSTO DE GENERACIÓN DE VAPOR
Cada unidad de energía generada por la caldera estará afectada por la capacidad de
aprovechamiento de la energía proveniente del combustible, es decir, estará
afectada por la eficiencia de la caldera, figura Nº38.
Figura Nº. 38 Precio de energía comprada y transformada por la unidad de
generación de vapor.
P2=P1ηg
2.2 CONSUMO ESPECÍFICO DE ENERGÍA
También conocido como índice de consumo. Es un indicador de eficiencia energética
y se define como la cantidad de energía por unidad de producción o servicios,
medidos en términos físicos (productos o servicios prestados). Relacionan la energía
consumida (Kwh, litros de combustible, toneladas de fuel oil, toneladas equivalentes
de petróleo) con indicadores de actividad expresados en unidades físicas (toneladas
Ing. José Luis Palacios E.
2
de acero producidas, hectolitros de cerveza producidos, habitaciones-días ocupadas,
etc)9
La expresión matemática que define lo anterior mencionado que se empleará para el
presente proyecto es:
CE= ηg Qihv-haa, kgv/kgc
Donde:
CE consumo específico de combustible, kgv/kgc
ηg eficiencia del generador de vapor
Qi poder calórico inferior del combustible, KJ/kgc
hv entalpía del vapor a la presión de trabajo, KJ/kg
haa entalpía del agua de alimentación, KJ/kg
La determinación con la expresión anterior se recomienda emplearla cuando no
existe retorno completo de vapor al tanque de condensado. Caso contrario este
índice debe venir de una medición simultánea del consumo de combustible y del
vapor generado.
Los indicadores descritos son básicos para poder contabilizar en términos
económicos pérdidas por fugas en tuberías, por trampas de vapor abiertas, por falta
de recuperación de revaporizado.
9 Borroto, A., 2007, “Capacitación en Eficiencia Energética”, Proyecto PROMEC, Quito, pp. 1-15
Ing. José Luis Palacios E.
3
3. PRINCIPIOS DE EVALUACIÓN ECONÓMICA DE
OPORTUNIDADES DE AHORRO DE ENERGÍA
Como en todo proyecto, las oportunidades de ahorro de energía deben tener una
factibilidad técnica y viabilidad económica para que sean realizadas.
A continuación se describen los parámetros más importantes a considerarse para la
evaluación económica de cualquier oportunidad de ahorro de energía.
3.1 FLUJO DE EFECTIVO
Una vez que se determina el ahorro anual y la inversión inicial necesaria para una
propuesta de ahorro de energía se realiza un diagrama de flujo de efectivo.
La siguiente tabla indica de forma algebraica el flujo de efectivo para cinco
propuestas de ahorro de energía.
Ing. José Luis Palacios E.
2
Tabla Nº. 6 Flujo de Efectivo.
Rubros Años 0 1 2 …. 10
Ingresos
1) EMO 1 0.00 IEMO 1 IEMO 1 …. IEMO 12) EMO 2 0.00 IEMO 2 IEMO 2 …. IEMO 23) EMO 3 0.00 IEMO 3 IEMO 3 …. IEMO 34) EMO 4 0.00 IEMO 4 IEMO 4 …. IEMO 45) EMO 5 0.00 IEMO 5 IEMO 5 …. IEMO 5Ingresos Netos (A) 0.00 1nIEMO 1nIEMO …. 1nIEMO
Egresos
Consumo combustible caldera E E E …. E1) Inversión inicial para EMO 1 IIEMO 1 0.00 0.00 …. 0.00
2) Inversión inicial para EMO 2 IIEMO 2 0.00 0.00 …. 0.00
3) Inversión inicial para EMO 3 IIEMO 3 0.00 0.00 …. 0.00
4) Inversión inicial para EMO 4 IIEMO 4 0.00 0.00 …. 0.00
5) Inversión inicial para EMO 5 IIEMO 5 0.00 0.00 …. 0.00
Egresos Netos (B) E+1nIIEMO E E …. E
Flujo de Efectivo (A-B) E+1nIIEMO 1nIEMO - E 1nIEMO - E …. 1nIEMO - E
Ing. José Luis Palacios E.
3
3.2 VALOR PRESENTE
Una vez que se ha determinado el ahorro anual que se consigue con una
oportunidad de ahorro como reparación de trampas de vapor de abiertas,
implementación de tanques de recuperación de revaporizado, aislamiento térmico de
tuberías de conducción de combustible, vapor o condensado. Es necesario calcular
el valor presente que tendrá ese ahorro para ello se emplea la siguiente expresión
matemática:
VP=A1+in -1i1+in 10
Donde:
VP valor presente
A anualidad
1+in -1i1+in factor de valor presente de serie uniforme (FVPSU)
i tasa de descuento
n tiempo de vida del proyecto, generalmente se considera 10 años
3.3 RELACIÓN BENEFICIO/COSTO
Es una razón que se establece entre la sumatoria del valor presente de los ingresos
para la sumatoria del valor presente de los egresos del diagrama de flujo. En nuestro
medio para la evaluación de proyectos económicos relaciones B/C de 1 a 3 son
aceptadas.
3.4 TASA INTERNA DE RETORNO
Es la tasa de descuento a la que el valor actual neto de los flujos futuros es cero,
esto es, la tasa a la cual el valor actual de los egresos efectivos anuales es igual al
valor actual de la inversión.
Se recomienda el empleo de una hoja de cálculo para determinar la TIR a partir del
flujo de efectivo, tabla 7.
10 Blank, L. y Tarquin, A., 2004, “Ingeniería Económica”, 5ta. edición, Mc Graw Hill, México, pp. 59
Ing. José Luis Palacios E.
4
Se esperan obtener tasas internas de retorno del 15 al 30%.
Tabla Nº. 7 TIR y relación B/C.
AñoIngresos Netos (A) Egresos Netos (B) Flujo Efectivo FE (A-B) FVPSU VP Ingresos VP Egresos
0 0.00 E+1nIIEMO E+1nIIEMO 1.0000 VP I0 VP E01 1nIEMO 1nIEMO - E 1nIEMO - E 0.9074 VP I1 VP E12 1nIEMO 1nIEMO - E 1nIEMO - E 1.7307 VP I2 VP E2
… …. …. …. …. …. ….
10 1nIEMO 1nIEMO - E 1nIEMO - E 6.0895 VP I10 VP E10TIR 15.0 a 30 % SUMA 1nVP I 1nVP E
BC= 1nVP I1nVP E
3.5 VALOR ACTUAL NETO
Se define como la suma algébrica de la inversión inicial y el valor presente, así:
VAN=-I0+ VP
Donde:
VAN valor actual neto
I0 inversión inicial
VP valor presente
3.6 TIEMPO DE RECUPERACIÓN DE LA INVERSIÓN
Una forma para determinar el tiempo en cual se va a recuperar la inversión
económica de las oportunidades de ahorro de energía es mediante una regresión
lineal en la que el valor actual acumulado se anule, tabla 8.
Tabla Nº. 8 Valor actual neto.
Año FE FVPSU VAN VAN acumulado
0 E+1nIIEMO 1.0000 VAN0 VAN0
1 1nIEMO - E 0.9074 VAN1 VAN0+ VAN1
2 1nIEMO - E 1.7307 VAN2 (VAN0+ VAN1 + VAN2)3 1nIEMO - E 2.4777 VAN3 VAN0+ VAN1 + VAN2 + VAN3
Ing. José Luis Palacios E.
5
…. …. …. …. ….
10 1nIEMO - E 6.0895 VAN4 VAN0+ VAN1 + VAN2 + VAN3 + VAN4
01VAN
El periodo de recuperación de la inversión se determina de la interpolación lineal del
VAN acumulado. En la mayoría de los casos, se espera que el tiempo de
recuperación de la inversión sea como máximo tres años.
Finalmente, los criterios de aceptación o rechazo para implantación de EMO´s es un
VAN positivo, una relación B/C mayor a uno y en muchos casos que la TIR sea
mayor a una tasa mínima atractiva de retorno TMAR.
BIBLIOGRAFÍA
Borroto, A., 2005, “Ahorro de Energía en Sistemas de Vapor”, Editorial Universidad
de Cienfuegos, Cuba
Capehart, B.,2003, “Guide to Energy Management”, The Fairmont Press, Estados
Unidos
Heselton, K., 2003, “Boiler Operator´s Handbook”, The Fairmont Press, Estados
Unidos
Almagro, E., 2008, “Ahorro de Energía en Sistemas de Distribución de Vapor”,
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment”, Federal
Technology Alerts, Pacific Northwest National Laboratory, Estados Unidos
Ing. José Luis Palacios E.
6
U.S. Energy Information Administration, Independent Statistics and Analysis,
“Voluntary Reporting of Greenhouse Gases Program”, Estados Unidos
U.S. Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy, “Steam Traps
Maintenance Checklist”, Estados Unidos
Borroto, A., 2007, “Capacitación en Eficiencia Energética”, Proyecto PROMEC,
Ecuador
Blank, L. y Tarquin, A., 2004, “Ingeniería Económica”, 5ta. edición, Mc Graw Hill,
México
Ing. José Luis Palacios E.
top related