VAPOR

 

ESPECIALIZACION ESPECIALIZAC ION –EFICIENCIA –EFICIENCIA ENERGE ENERGETICA TICA “Uso eficiente del vapor en la industria” -Conceptos Básicos del vapor-

“ESPECIALIZACION EN EFICIENCIA ENERGETICA”  Conceptos Básicos del vapor 

1

2

• • • •

AGUA + CALOR

Se gen gener era a a apa apart rtir ir de agu agua. a. Permit Per mite e ajust ajustar ar la la tem temper peratu atura ra con con la pre presio sion. n. Fácilil de transp Fác transport ortar. ar. Transp Tra nsport orta a mu mucha cha ene energi rgia a con poc poca a ma masa. sa.

4

3

•  VAPOR SATURADO Vapor frecu frecuentem entemente ente en conta contacto cto con una parte líquida líquida y en equi equilíbri líbrio o térmico térmico con la misma.

VAPOR SATURADO Para calentami calentamiento ento 85% VAPOR SOBRECALENTADO Para generación generación de energia 15 %

•  VAPOR SOBRECALENTADO Vapor que que se encuentra encuentra con una temperat temperatura ura por encima encima de la del vapor satur saturado. ado. 5

6

1

 

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Distribuición Vapor sobrecalentado

generador de

Utilización

energia el elé éctrica

Generador de vapor

Generación

Turbina

Retorno 7

A

VAPOR SATURADO Utilizado para para procesos de calentamiento. calentamiento. Mejor or apr aprove ovecha chamie miento nto tér térmic mico. o. Motivos : - Mej - Meno Menorr costo costo de genera generación ción..

B La pre presió sión n en un rec recipi ipient ente e cerrad cerrado o es igu igual al en todos los los punto puntos. s.

VAPOR SOBRECALENTADO

Porr ta Po tant nto, o, la pr pres esió ión n ej ejer erci cida da en “A “A”” es la mi mism sma a lei leida da en el man manóm ómet etro ro “B “B”. ”.

Utilizado para movimiento movimiento de máquinas. Motivo :

8

Necesidad Nece sidad de vapor libre de agua. 9

10

Presió Presión n medi medida da por encima encima de la atmo atmosféri sférica, ca, y leída leí da en um manó manómet metro ro..

La pre presió sión n eje ejerci rcida da por la at atmós mósfer fera, a, Y varia varia con con la alt altitu itud. d. 11

12

2

 

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PRESION:

Pabs. Pabs. atm. atm.

man. man.

Es la fuerza ejercida por unidad de área.

UNIDADES: UNIDADES: bar (Sistema Internacional) psi (Sistema Britanico Britanico))

Es la pre presió sión n tot total. al. Es la sum suma a de las pre presio siones nes.. 13

Conversión: Conversió

14

•

de psi a bar multiplique por 0,068948

Flujo : Es la cantidad de masa que se mueve en una unidad de tiempo tiempo..

UNIDADES: UNIDADES:

de bar a psi multiplique por 14,504

Métrico Britanico

kg/h Lb/h Lb /h

15

16

CALOR: Energia tté érmica total de un fluido lí quido gaseoso.. quido o gaseoso

CALOR: Conversiones

UNIDAD: kjoule (Internacional) UNIDAD: UNIDADES DERIVADAS - Cantidad de Calor (kjoule (kjoule kjoule/kg) /kg) - Calor Especí  Especí fico fico (kcal/kg , C) - Flujo de Calor (kjoule (kjoule kjoule/h) /h)

de btu a kjoule multiplique por 1.055 de kjoule a Btu multiplique por 0.9478

17

18

3

 

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TEMPERATURA

CELSIUS Punto de vapor

100 oC

Métrico - Escala en grados Centigrados o Celsius (oC)

Punto de hielo

0 oC

Britanico - Escala en Fahrenheit (oF)

Cero absoluto

-273,1 oC

oF

FAHRENHEIT

KELVIN

RANKINE

373,1 K

212 oF

671,6 R

273,1 K

32 oF

491,6 R

0K

-459,6 oF

0R

= (oC x 1.8) 1.8) +32 +32 19

•

VOLUME ESPECÍ  ESPECÍ FICO: FICO: Es el volumen ocupado por un determinado fluido por unidad de masa masa..

20

Presió Presi ón constante Temperatura Temperatura

UNIDADES: m3/kg UNIDADES: Calor constante

Calor

21

22

Temperatura Temperatura de ebullició ón ebullici

Temperatura Volume

t2

Temperatura t3

Temperatura ebulició ón de ebulici

t1 Calor

Calor

23

24

4

 

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Temperatura Temperatura

Temperatura de ebullició ebullici ón

4

t4

Temperatura

t5

5

constante Calor

Calor

25

200 180 160 140    C    º 120   a   r   u 100    t   a   r 80   e   p 60   m   e 40    t 20 0

Temperatura t6

Temperatura

26

6 Calor

  g    k    /    ³   m   o   c    i    f    í   c   e   p   s   e   n   e   m   u    l   o   v

1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

presión,, bar g presión

27

9

10 28

hg )  (h AL (  TA O T  TO CALOR T    U    T    A    R    E    P    M    E   E    T   R

0

1

2

3

4

5

presión bar g

6

7

8

9

C ALO R  R LAT E  EN    T  N    E  T E ( hf g)

 )  h f ) BLE ( h  IB  SE N S I CALOR S

10

PRESION 29

30

5

 

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Cargas o consumos de vapor Presión Presión manom. manom. bar ba barrr gg ba

Entalpía Entalpía kJ/kg kJ/kg Temp. Temp. ºC ºC

Agua Agua (h (hf))

Entalpía Entalpía esp. esp. de de evap. evap. (h ) (hfgfg)

f

00 11 22 33 44 55 66 77

100 100 120 120 134 134 144 144 152 152 159 159 165 165 170 170

419 419 506 506 562 562 605 605 671 671 641 641 697 697 721 721

Vapor Vapor (h (hg))

Ley natural de la conservación de la masa : “ La masa no se crea, ni se destruye, destruye, solo se transforma”

Volum. Volum. espec. espec. m m33/kg /kg

g

2257 2257 2201 2201 2163 2163 2133 2133 2108 2108 2086 2086 2066 2066 2048 2048

2676 2676 2707 2707 2725 2725 2738 2738 2749 2749 2757 2757 2763 2763 2769 2769

1.673 1.673 0.881 0.881 0.603 0.603 0.461 0.461 0.374 0.374 0.315 0.315 0.272 0.272 0.240 0.240

2011

31

Cargas o consumos de vapor

Cargas o consumos de vapor Calculo carga de vapor conociendo la capacidad térmica del equipo :

El consumo de vapor o la carga de condensado puede obtenerse de tres maneras: 

Instalando un medidor de vapor



Capacidad térmica del equipo



32

Q x 3600 Mv=

Hfg

Mv : Flujo másico de vapor (Kg/h) (Kg/h) Q: Carga de de energía energía térmica térmica requerida requerida (Kw (Kw ó Kj/s) Hfg: Calor latente del vapor vapor (Kj/Kg) (Kj/Kg)

Cálculo teórico

Nota : 3600 es factor de conversión de segundos a hora 34

33

Cargas o consumos de vapor

Cargas o consumos de vapor

Calculo “teórico” carga de vapor en procesos de calentamiento con flujo continuo:

Calculo “teórico” carga de vapor een n procesos de calentamiento con flujo no continuo:

Mfx Cp x ∆T Mv= Mv : Mf : Cp : Hfg:

M x Cp Cp x ∆T Mv=

Hfg Mv : M: Cp : Hfg: t:

Flujo másico de vapor (Kg/h) (Kg/h) Flujo Fluj o másico másico de fluído fluído a calenta calentarr (Kg/h) (Kg/h) Calor especi especifico fico del fluíd fluído o (Kj/K (Kj/Kg g x ºC) ºC) Calor latente latente del vapor (Kj/Kg)

Nota : Cp del agua es es 4.19 Kj/Kgx Kj/Kgx ºC

35

Hfg Hf gxt

Flujo másico de vapor (Kg/h) Masa de fluído a calentar (Kg) Calor espec especifico ifico del fluí fluído do (Kj/ (Kj/Kg Kg x ºC) Calor latente del vapor (Kj/Kg) Tiempo de calentamiento (h)

Nota : Cp del agua es es 4.19 Kj/Kg Kj/Kg x ºC

36

6

 

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• La cal calid idad ad va vari ria a co con n la la can canti tida dad d de ag agua ua contenida conten ida en el vapor. vapor.

Es la medid medida a de la la cantida cantidad d de humedad humed ad conte contenida nida en el vapor

• Adicionando calor (Kj) se me mejora la calidad. • La pr pres esió ión n y la te temp mper erat atur ura a de va vapo porr tie ti ene nen n un una a co corr rre ela laci cion on fi fijja que se pue uede de apre ap reci ciar ar en la cu currva y en la las s ta tabl blas as de vapor.

Ejemplo : Un vapor con 95% 95% de calidad 95 partes partes de vapor vapor saturado saturado seco 5 parte partes s agua (cond (condensad ensado) o)

37

38

Por eje ejempl mplo: o: • Las propiedade propiedades s del vapor saturad saturado o seco están están en la tabla de vapor

Vapor saturado @ 7 barg & 170 °C

• A menudo, menudo, el vapor contiene contiene gotas gotas de agua agua en suspención suspención • Cuando este este es el caso, caso, se designa designa como vapor vapor húmedo húmedo

•Calidad •Cal idad = 100% Calor laten latente te = 2047 Kj/kg

• El vapor húmedo húmedo contiene contiene menos menos entalpía entalpía de evaporació evaporación n que el vapor saturado seco - contiene menos calor útil

•Calid •Ca lidad ad = 50%

• El grado grado de húmedad húmedad del vapor vapor se design designa a como “titul “titulo oo fracción de sequedad”

Calor Cal or lat latent ente e = 102 1023 3 Kj/ Kj/kg kg

Las ta tablas blas de vapor vapor saturado saturado son para para un vapor vapor seco con calida calidad d del 100%! 100%! 39

entalpia esp. del vapor entalpia sat. seco seco @ 5 bar g Agua (hf)

= 671 kJ/kg

Ejemplo: Ejempl o: Un proceso requi requiere ere 4,645 4,645,000 ,000 Btu/hr

entalpia esp. del vapor entalpia x= 90% 90%@ @ 5 bar bar g Agua (hf)

Se dispone de vapor a 30 psig @ 274 °F Saturado ado seco sumin suministra istra 929 Btu/lb @ 100% Satur proceso consum proceso consume e 5,000 lb/hr

= 671 kJ/kg

Evaporacion (hfg) = 2086 kJ/kg

Evaporacion Evapora cion = (2086 (2086 X 0.9) = 1877 kJ/kg kJ/kg

vapor (hg)

Vapor (hg)

= 27 2757 57 kJ/ kJ/kg kg

40

=2548 kJ/kg

 

∴

@ 90% Fraccion Fraccion de sequeda sequedad, d, el vapor suministr suministra a 836 Btu/lb ∴ proce proceso so consum consume e ahora 5556 lb/ lb/hr hr 11% Incremento @ 80% Frac Fracción ción sequed sequedad, ad, el vapor suminstr suminstra a 743 Btu/lb ∴ proce proceso so consum consume e ahora 6251 lb/ lb/hr hr 25% incremento.

La entalpia disminuye en un 10% 41

42

7

 

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• Si se agrega calor calor después después que el agua agua ha sido evaporad evaporada, a, aumenta la temperatura del vapor • Este vapor se llama llama “recalent “recalentado”su ado”su tempe temperatura ratura será superi superior or a la del vapor saturado a la presión correspondiente • Antes que que condense condense y entregue entregue su entalpi entalpia a de evaporació evaporación, n, debe ceder calor hasta que su temperatura iguale la temperatura de saturación • Usualmente Usualmente el vapor vapor recalentad recalentado o es la primera primera opción para para generación de potencia • No hay hay cor correl relaci ación ón ent entre re la pre presio sion n y la la tempe temperat ratura ura com como o la que existe en el vapor vapor saturad saturado.. o..

  g    k    /    J    k   a   c    i    f    í   c   e   p   s   e   a    í   p    l   a    t   n    E

Areade vapor recalentado

 e s   t e  a n   t a  n s  o  cc      &  T   P &

Area de Area vapor húmedo

       t e       n        t a      s       n      o       c         P n te  tan o ns ta  co  T c  T

c u  r v a    d   e 

 s a  f  r  a   t u  ur    ac  a    c  c   i   ó n  i  ó   n   d   e  s   e q   u  e  d  a   d  

43

44

Entropía especifica kJ/kg K

  g    k    /    J    k   a 2755   c    i    f    i   c   e   p   s   e   a    i   p    l   a    t   n    E

Areade vapo vaporr recalentado

 C  .  °   8  9   1    5  &  &  g   r    a   5  b

     g      r      a     b         5

  g    k    /    J    k   a   c    i    f    i 2547   c   e   p   s   e   a    i   p    l   a    t   n    E

8.9° 9°C 158.

L i   n e  a d   e  s  a t u  ur    a  ac    i   o n 

t  i  t  u   l  o  

Areade vapo vaporr humedo

Area de Area vapor recalentado

 C  .  °   8  9   1    5  &  &  g   r    a   5  b

     g        r      a     b         5

0  . 9   9  

8.9° 9°C 158.

l   i   n e  a d   e  s  a t u  ur    a  c i   o n 

Areade vapo vaporr húmedo

45

Entropia Entro pia espec especifica ifica kJ/kg K

  g    k    /    J    k   a   c    i    f   c   e   p   s   e

  a    i   p    l   a    t   n    E

Area de Area recalentado 2958

     g        r      a         b     5

• Se for forma ma cua cuando ndo el con conden densad sado o cal calien iente te a alta alt a pre presió sión n se des descar carga ga a un un siste sistema ma de mas ma s ba baja ja pr pres esio ion. n.

250°C 9°C 8.9° 158.

 C  ° C   8 .  9   1    5  &   &  r g     a   5  b

Area humeda

46

Entropia Entro pia espec especifica ifica kJ/kgK

• A baj baja a pre presio sion, n, el cal calor or con conten tenido ido (CALOR SENSIBLE) en el condens condensado ado no puede pue de exi existi stirr en esa form forma. a.

C u  r v a   d   e  s  a t u  F  r   ur    a  a  c   ac    i   c  i  o   o n 

n  d   e  s   e q   u  e  d  a   d  

• Por Por lo qu que, e, un una a po porc rció ión n de dell ag agua ua “h “hie ierv rve” e” y se convierte convierte en VAPOR FLASH. FLASH. 47

48

Entropia Entro pia espec especifica ifica kJ/kgK

8

 

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CUANTO VAPOR FLASH SE FORMA ? Ejemplo Carga de vapor Presion en la entrada Presion de salida

1000 kg/hr. 7 barg 1 barg

Presion Pre sion Temperatura Manom. Abs oluta barg bara ºC 1 7

2 8

120 170

Calor Sensible Kj/Kg

Ca lor Latente Kj/Kg

Calor Total Kj/Kg

506 721

2201 2047

2707 2047

% Vapor Flash =

CSAP  - CSBP CSAP CLBP

Donde

Calor sensible alta presion (CSAP) Calor sensible baja presion (CSBP) Calor Latente Baja Presion (CLBP) 721 - 506 2201

  = 9.7%

49

flash se libera El vapor flash libera del condensad condensado o calie caliente nte al reduci red ucirr su pre presio sion. n.

50

Porcentaje de vapor flash formado formado::

GRAFICA DE PORCENTAJE DE VAPOR FLASH

hf hf@a @alt ltaa pr pres esio ion n - hf @ ba baja ja pr pres esio ion n % Vapor Flash = ------------------------------------------------------------------------------------------------ x 100 hfg @ baja baja pre presio sion n Del ejemplo ejemplo anterior tenemos: 721 Kj/ Kj/Kg Kg - 419 Kj/ Kj/Kg Kg % Vapor Flash = ---------------------------------------------------------------------x --x 100 = 13.4% 2257 Kj/Kg 51

52

Costo Cost o de prod producci uccion on de vapor vapor Costo de referencia referencia del combustible combustible en la generación generación de vapor

Vapor Flash conti contiene ene una valio valiosa sa canti cantidad dad de cal calor or que pu puede ede ser uti utiliz lizada ada en aplicacione aplica ciones s a baja presi presion. on.

Ahorro$ Ahorro$ Ahorro$

Energìa Energ ìa reque requerida rida para produ producir cir vapor en funciòn funciòn de la presi presió ón y la la temperatura tempe ratura del agua de alimentación alimentación a la caldera. La Tabla Tabla 2 da el conten contenido ido de energ energía ía porunidadcomer porunidadcomercial cial de la mayoría mayoría de los combus combustibles tibles usados usados en la generación generación de vapor 53

9

 

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Aciem, Enero 10 de 2011

Costo del vapor Costo vapor con con refere referencia ncia al combustible Combustible: Gas Natural, Precio $ 800/m3, Poder calorifico 35,315 Btu/m3 Presion de vapor: 100 psig / 235 psig psig Temperatura del agua de alimentación: 230 °F, Eficienciaa de combustion de la caldera: 80% Eficienci A 100 psig, Costo del vapor = $ 800/m3 * (2200 lb / 1 Ton) * (991 BTU/lb) / (35,315 (35,315 BTU/m3) * (0.80) Costo del vapor a 150 psig: $ 61735 / Ton A 235 psig, Costo del vapor = $ 800/m3 * (2200 lb / 1 Ton) * (1003 BTU/lb) BTU/lb) / (35,315 BTU/m3) * (0.80) Costo del vapor a 235 psig: $ 62483 62483 / Ton

Costo Cos to de dell vapor vapor por mi milló llón n de BTU BTU

Costo Cost o del cond condensa ensado do con refer referencia encia al combustible

Combustible: Gas Natural, Precio $ 800/ m3 Poder calorifico. 35,315 Btu/m3 Costo del Vapor por Millón de BTU: = $ 800/m3 * (1 m3 / 35,315 BTU) * (1,000,000 BTU / 1 MBtu) =

=20,653 $/MBtu

Aciem, Enero 10 de 2011

La temperatura temperatura de agua de reposición reposición (Make(Make-up) up) esta alrede alrededor dor de los 25°C (77° F). Normalmente Normalmente el condensado condensado se recupera recupera a tanques atmosfe atmosfericos ricos (0 barg/psig) alrededor de 80ºC (182°F). Sin embargo el condensado formado en sistemas sistemas presur presurizados izados tiene un contenid contenido o de energía energía mayor que a presión presión atmosferica.

Costo del cond Costo condensa ensado do con refer referencia encia al combustible Combustible: Gas Natural, Precio $ 800/m3, Poder calorifico calorifico 37,25 37,2599 Kj/m3 Presionde vapor: 7 barg Temperatura del agua de alimentación: 110°C, - Make Make-up -up : 25ºC 25ºC Eficiencia de combustion de la caldera: 80% A 7 barg, Costo del condensado = $ 800/m3 * (1000 Kg / 1 Ton) * (721.6 -104.7 Kj/kg) / (37,259 Kj/m3) * (0.80) Costo del condensado a 7 barg: 16552 $/Ton

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

Para su producción se utiliza agua: Abundante, Barata, Fácil de obtener.



Es muy controlable: A cada presión le corresponde una temperatura, una energía específica, un volumen específico.

“El vapor es eficiente y fácil de generar. La economía de su generación, manejo y uso se fundamenta en el buen uso de los conceptos básicos” 



Transporta cantidades de energía elevadas por unidad de masa: Menor superficie de intercambio en los procesos y menor cantidad de fluido usado.

Gracias por su atención 



Es estéril y de fácil distribución y control. 61

Fuente: Fuent e: “TheSteam and Conden CondensateLoop sateLoop Book”–

62

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