PRÁCTICA − N 02 FUNCIONAMIENTO DE LA CALDERA DE VAPOR Y DETERMINACIÓN DEL TÍTULO DEL VAPOR DE SALIDA DE LA CALDERA POR EL MÉTODO DE BORBOTEO. • OBJETIVOS Los objetivos de esta práctica son los siguientes: − Conocer las operaciones de puesta en marcha y funcionamiento de una caldera de vapor; en este caso de trata de un modelo de tubos verticales cuyo horno trabaja con un quemador de gas−oil. − Conocer el funcionamiento del circuito de transporte del vapor, las razones de la reducción de la presión del vapor y el funcionamiento de la válvula de purga de condensados − Determinar el cabal másico de vapor con el que trabaja nuestra instalación − Determinar el título del condensado de salida de la válvula de purga por el método de borboteo. • fundamento La caldera de vapor es un elemento indispensable en la gran mayoría de las Plantas Industriales Químicas (además de en otros sectores de la industria). Esto es por las innegables ventajas técnicas y económicas que ofrece el vapor de agua como agente de calefacción: desde la facilidad de obtención y manejo de la materia prima de partida, el agua (es inocua e incombustible), hasta las óptimas propiedades físico−químicas del vapor de agua (el calor latente de condensación del vapor de agua es el mayor que se conoce). Dentro del campo de calefacción de procesos desde 100 hasta 200 ºC, el vapor de agua no tiene rival. El vapor de agua de salida de la caldera es VAPOR SATURADO, es decir, en equilibrio con el agua líquida a la presión de trabajo. El vapor saturado es idóneo para calefacción, ya que está listo para ceder el calor latente de condensación, licuándose en un serpentín o camisa exterior de calefacción de una determinada unidad de proceso. El vapor saturado, al avanzar por las tuberías hasta el punto de utilización, sufre pérdidas de calor al ambiente que se traducen en una condensación parcial en forma de microscópicas gotas de agua que acompañan al vapor, formando una neblina. El resultado es el denominado VAPOR HÚMEDO. En realidad, se puede considerar que todo vapor saturado que abandona la caldera empieza, en mayor o menor grado, a ser vapor húmedo. La entalpía específica del vapor

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húmedo (y por tanto su capacidad calefactora), disminuyen con el aumento de la fracción condensada. Un parámetro muy útil para evaluar la calidad de un vapor es el llamado TÍTULO DEL VAPOR. El título del vapor (que se suele simbolizar con una X) es un parámetro adimensional que se define por la siguiente fórmula:

El valor del título está comprendido entre 0 y 1. El valor 1 representa el 100 % de vapor gaseoso, y el valor 0 representa el 100 % de agua líquida. En el momento en que el vapor húmedo entra en el serpentín del aparato calefactor (donde se producirá su condensación, cediendo el calor latente de vaporización), lo interesante a la práctica es que su título sea lo más próximo a 1 posible. Para ello se procura calorifugar al máximo la instalación de conducción de vapor desde la caldera. La separación del vapor condensado (agua líquida a temperatura muy próxima a la de condensación a la presión de trabajo) en el serpentín, del resto de vapor aún gaseoso, se verifica gracias a la válvula de purga de condensados. En general, el condensado se conduce por una tubería hacia el depósito de agua de alimentación a la caldera, cerrando el circuito. A la práctica, lo que interesa es que la separación líquido/vapor en la válvula de purga sea lo más próxima al 100 %, es decir que el condensado tenga un título de 0 (que todo sea agua líquida). No obstante, esto no se consigue a la práctica, sino que parte del vapor pasa con el líquido la válvula de purga, y el título es superior a 0. Aquí es importante que el valor de X sea lo más próximo a 0 posible. Las instrucciones de operación y mantenimiento preventivo de la caldera (indicadas por la documentación del fabricante) deben ser estrictamente seguidas para conseguir la máxima duración de las piezas y los instrumentos de ésta, y para trabajar en las máximas condiciones de seguridad posible. • SEGURidad y MEDIo AMBIENTe. • En esta practica no se trabaja con reactivos peligrosos. 2

• Hemos de tener en cuenta que corremos el riesgo de sufrir quemaduras al tocar la instalación sin protección adecuada, ya que está a elevada temperatura. • Vigilar con el vapor que quema!. • Vigilar de no romper el material y trabajar siempre con la bata y las gafas puestas. • MATERIAL Tabla 1. Lista de material. Cantidad 1 1 1 1 1 1 1

Elemento Caldera de vapor Recipiente plástico Báscula o probeta Soporte Termómetro Cronómetro Vaso de precipit.

Características Lab. ing. química 15L 1L 100ºC 600 mL

• REACTIvoS Tabla 2. Lista de reactivos. Producto Agua

Calidad Desmineralizada

Cantidad 12L

• PROCEDImiento EXPERIMENTAL • resultados Tabla 3 . resutados experimentales. Variables T1 T2 M1 M2

Valor experimental 21 40 12 13,92

Unidades ºC ºC L L

• cálculos Cálculo del flujo másico de vapor ( W, en Kg/h) de trabajo: (13,92 − 12) l 60 min. 1 Kg H2O W= −−−−−−−−−−−−−−−−− X −−−−−−−−−−−−−−− X −−−−−−−−−−−−−−− = 33,408 Kg/h 25 min. 1 h 1 l H2O Cálculo del título de vapor (X) en la tubería de condensados:

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(M2−12) [ H''1X + h'1(1−X) ] = 12 (T2−T1) + (M2−12) h'2 1.92 * (649.84 X + 128.05 − 128.05 X) = 12 * 19 + 1.92 * 100.26 1000.97 X + 245.86 = 228 + 192.50 1000.97 X = 174.64 X = 0.174 Preguntas adicionales • Si el vapor de salida de la caldera está a 6 Kg/cm2 absolutos de presión ¿Que ventaja práctica representa someter al vapor a una reducción de presión hasta 2´5 Kg/cm2 absolutos antes de entrar en el serpentín del evaporador? Al realizar esta reducción de presión el vapor se expande manteniendo la temperatura, cosa que hace que el punto de condensación sea menor que a la presión anterior haciendo que si quedaban restos de agua líquida se evaporen y así la fracción de vapor será mas elevada. • La utilización, en las instalaciones industriales, de un circuito cerrado en el que el condensado retorna al depósito de agua de alimentación a la caldera es debida a una estrategia de recuperación de energía calorífica contenida en el agua condensada. ¿ Qué problema práctico relacionado con la corrosión puede ocasionar en el circuito esta estrategia? ¿De qué forma se puede solventar? Esta estrategia puede provocar incrustaciones de algunas sales de calcio y magnesio que lleva el agua en las tuberías ya que su solubilidad mengua al aumentar la temperatura del agua. La solución sería hacer entrar en el circuito agua desmineralizada para que no se produjeran estas incrustaciones o en mucho menor rapidez alargando la vida de la instalación. • DISCUSIÓn DE RESULTAdoS • Podemos observar claramente por los resultados experimentales, que se ha retenido gran cantidad de agua dentro del recipiente donde inicialmente teníamos los 12 litros de agua, en los 25 minutos del experimento. • Al hacer pasar el vapor que salía del intercambiador de calor, ha incrementado la masa de agua, aumentando la temperatura del agua. Esto sucede, ya que el agua y el vapor que nos sale por la tubería de condensados, ceden calor al agua del recipiente que está a más baja temperatura, haciendo condensar el vapor y reteniendo el agua que sale caliente de la tubería. • El valor del título de vapor en la tubería de condensados es de 0.174, cosa que indica que una gran parte de vapor se ha condensado, cediendo su calor en el intercambiador de calor. • CONCLUSIONeS En los 25 minutos que tenemos el circuito de vapor abierto, se observa que el agua que hay en el intercambiador de calor se calienta y llega a ebullición gracias al calor cedido por el vapor que viene de la caldera. La fracción de vapor/líquido es muy pequeño, ya que el vapor cede su calor que tiene, pasando a líquido y por las pérdidas de calor del circuito. El recipiente en el que teníamos los 12 litros de agua, acaba teniendo 13,92 litros ya que todo el líquido 4

y la mayoría del vapor que sale del circuito queda allí retenido haciendo incrementar la masas de agua y también su temperatura. • NOMENCLATURA Tabla 4. Variables Físico − químicas Variable W M1 M2 T1 T2 H''1 h'1 H'2

Magnitud Flujo másico vapor Masa inicial agua Masa final agua Temperatura inicial Temperatura final Entalpía especifica del vapor en las condiciones de condensación Entalpía específica del líquido en las condiciones de condensación Entalpía específica del líquido en las condiciones finales del proceso de condensación

Unitats Kg/h Kg Kg ºC ºC Kcal/kg Kcal/Kg Kcal/kg

• BIBLIOGRAFIA • Coulson y Richardson, INGENIERIA QUIMICA. OPERACIONES BÁSICAS . Ed. Reverté. [2] M.Felder y W.Rousseau, principios elementales de los procesos químicos . Ed. Addison Wesley Esperar hasta que opere en régimen estacionario Abrir la válvula principal de salida de vapor Encender la caldera siguiendo las instrucciones del fabricante Abrir la llave de paso de la tubería en derivación del circuito de condensados Medir la temperatura inicial del agua del recipiente Preparar un recipiente de 15 L y vertir 12 l de agua descalcificada Recoger el condensado en un espacio de 25 minutos Poner en marcha el cronometro Cerrar la llave de paso de la tubería principal del circuito de condensados Deconectar el quemador siguiendo los pasos de paro de la caldera Medir la temperatura del recipiente y pesarlo Abrir la llave de la tubería principal y cerrar la del circuito de derivación

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