Cálculo del consumo

Para determinar la potencia de vapor necesaria de una instalación de calderas de vapor, lo ideal es registrar en una tabla todos los consumidores de vapor de la red de vapor con su potencia mínima y máxima y, a continuación, sumar la potencia de todos los consumidores.

Al hacerlo, debe distinguirse entre los siguientes consumidores:

• Consumidor directo (por ejemplo, autoclave)
• Consumidor indirecto (por ejemplo, intercambiador de calor)
• Pérdidas de vapor de expansión (por ejemplo, en el depósito de condensado no presurizado)
• Pérdidas de calor en las tuberías de vapor
• Uso propio del sistema de calderas (por ejemplo, vapor de calentamiento para el depósito de agua de alimentación)

Consumidor directo

Con los consumidores de vapor directo, el vapor entra en contacto directo con el medio (no a través de un intercambiador de calor), donde abandona el sistema en forma de condensado. El agua condensada producida se elimina con el producto (o permanece en el producto) y ya no está disponible para el circuito de vapor. Esta agua consumida debe ser sustituida de nuevo como agua de reposición por el sistema de tratamiento de agua del circuito de vapor.

Info sobre Tratamiento de agua

El agua de reposición debe desgasificarse calentándola en el depósito de agua de alimentación. Esto aumenta el consumo propio requerido por el sistema de caldera de vapor.

Los consumidores directos pueden encontrarse, por ejemplo, en procesos de secado, durante la humidificación, al calentar baños de ebullición o durante la esterilización.

La potencia de vapor necesaria en los consumidores directos de vapor se indica en la forma necesaria como caudal másico ṁ_S,dC (cantidad de vapor para los consumidores directos) en [kg/h]. Si se especifica una potencia térmica para estos consumidores de vapor, también se aplican aquí las mismas fórmulas utilizadas con los consumidores indirectos para la conversión de la potencia térmica en potencia de vapor.

Consumidor indirecto

Los consumidores indirectos de vapor son todos los tipos de intercambiadores de calor en los que el vapor se condensa al tiempo que libera energía térmica (que calienta un medio, por ejemplo, agua). El punto de ebullición del condensado producido durante este proceso corresponde inicialmente a la presión del vapor a la entrada del intercambiador de calor, pero también puede enfriarse más por debajo del punto de ebullición, dependiendo del nivel de temperatura del medio que se calienta. Este condensado se denomina condensado sobreenfriado. El condensado se transporta a través del desaireador de vuelta al depósito de agua de alimentación.

La potencia térmica de un intercambiador de calor suele especificarse en [kW] o [MW]. Para determinar la producción de vapor necesaria en [kg/h] de vapor saturado, la producción térmica del intercambiador de calor debe convertirse en producción de vapor saturado.

La necesidad de vapor saturado en un intercambiador de calor puede calcularse inicialmente mediante la siguiente fórmula sencilla:

Para una presión de vapor de 5 – 18 bares, la diferencia con respecto a la producción real de vapor es < 5 %. En este caso no se tiene en cuenta el posible sobreenfriamiento del condensado.

Para determinar con precisión la producción de vapor en función de la potencia térmica de un intercambiador de calor, debe determinarse la entalpía de evaporación a partir de la tabla de vapor saturado con la presión de funcionamiento real del intercambiador de calor.

Info sobre Tabla de vapor de agua

Si el condensado producido se sobreenfría, es decir, hasta por debajo del punto de ebullición, en todas las condiciones de funcionamiento la producción de vapor puede calcularse mediante la siguiente fórmula, teniendo en cuenta el rendimiento térmico por sobreenfriamiento del condensado:

Pérdidas de vapor de expansión

El vapor de expansión se produce cuando la condensación caliente presurizada se expande a la presión por debajo de la presión de ebullición. Esto ocurre, por ejemplo, cuando la condensación fluye a través de drenajes o válvulas de condensación o cuando fluye hacia un depósito de condensación abierto a presión atmosférica. Cuanto mayor es la temperatura del condensado, más vapor de xpansión se produce.

La cantidad de vapor de expansión producida puede leerse en el diagrama o calcularse a partir de la tabla de vapor de agua.

Info sobre Tabla de vapor de agua

En este caso hay que tener en cuenta que la cantidad de vapor de expansión puede estar ya reducida debido al sobreenfriamiento de la condensación. Si el vapor de expansión se libera al entorno, el vapor perdido del sistema de la caldera debe reintroducirse como agua de reposición, de la misma forma que cuando se pierde agua de los consumidores directos.

El vapor de expansión también puede utilizarse mediante medidas de recuperación de calor y reintroducirse directamente en el circuito de agua.

Info sobre Economizador

Pérdidas de calor en las tuberías de vapor

La pérdida de calor en las tuberías también debe tenerse en cuenta en el diseño de la producción de vapor. Si las tuberías están bien aisladas, puede suponerse una demanda de energía térmica de unos 10 kg de vapor por hora y en cada tubería (10 kg_S / (h · 100 m)).

Para calcular las pérdidas de calor con mayor precisión, debe realizarse un cálculo independiente para cada tramo de tubería en función del diámetro nominal, la longitud de la tubería y el grosor del aislamiento.

También deben tenerse en cuenta las pérdidas de calor en válvulas, conexiones con bridas y recipientes. Los valores orientativos correspondientes figuran en el capítulo Eficiencia.

Info sobre Aislamiento

Desafortunadamente, se sigue subestimando la pérdida de calor a través de tuberías, recipientes y válvulas mal o parcialmente aislados. Esto se debe principalmente a que, durante la vida útil del sistema, el aislamiento durante la vida útil del sistema, el aislamiento se retira para su inspección o mantenimiento y no se vuelve a instalar posteriormente. El aislamiento de las tuberías (tanto en el sistema de vapor como en el de condensado) representa una de las medidas de ahorro más económicas en los sistemas existentes.

Si se calculan con precisión las perdidas de calor en las tuberias, la demanda de vapor para estas perdidas debe determinarse del mismo modo que la demanda de calor para un consumidor indirecto.

Info sobre Principios básicos del vapor de agua

Info sobre Tabla de vapor de agua

Uso propio del sistema de calderas de vapor

El sistema de caldera de vapor tambien necesita parte de la produccion de vapor para su propio uso con el fin de funcionar. La potencia de vapor real necesaria para empleo propio unicamente puede determinarse a partir de un conocimiento profundo del modo de funcionamiento de todo el sistema de calderas de vapor. La cantidad de vapor de calentamiento para el depósito de agua de alimentación es decisiva para el consumo interno de vapor.

Info sobre Tratamiento de agua

El vapor de calentamiento en el depósito de agua de alimentacion depende a su vez del flujo de retorno de la condensación procedente de los consumidores de vapor con las correspondientes temperaturas de condensado, la demanda de agua de reposicion y las perdidas de agua de la caldera para la descarga de superficie y la descarga de fondo.

La cantidad de vapor para uso propio es necesaria para el funcionamiento de los siguientes consumidores de calor. Para obtener un valor orientativo para disenar inicialmente la producción de vapor necesaria, la demanda de vapor para uso propio puede estimarse de la siguiente manera:

Por lo tanto, la caldera necesita aproximadamente entre un 6 y un 16 % de la producción total de vapor para uso propio.

Para calcular con precisión el vapor necesario para el consumo propio, es necesario disponer de los datos exactos sobre la demanda de agua de reposición, el tipo de tratamiento del agua y el modo químico de funcionamiento de la caldera, el retorno de condensado con las temperaturas de condensado y, en caso necesario, el precalentamiento del combustible.

No obstante, el vapor necesario para uso propio puede reducirse considerablemente mediante medidas de recuperación de calor como enfriadores de vapor de escape, tanques flash, enfriadores de salmuera y enfriadores de agua de alimentación o economizadores de condensación y un modo de funcionamiento sin sal con tratamiento del agua por ósmosis.

Info sobre Economizador

Para calcular con precisión la cantidad de vapor necesaria para uso propio, deben calcularse las siguientes cantidades de vapor de calentamiento. En conjunto, representan la cantidad de vapor de calentamiento para el depósito de agua de alimentación.

Calentamiento del agua de reposición

Para compensar las pérdidas de vapor en el circuito de vapor, debidas por ejemplo a los consumidores directos, hay que introducir en esta agua de reposición tratada.

Info sobre Tratamiento de agua

Durante la desaireación, el agua fría de reposición debe calentarse desde aproximadamente 10 °C hasta 103 °C. La potencia térmica necesaria se obtiene como consumo interno de vapor directamente de la potencia de vapor de la caldera.

Por tanto, la necesidad de agua de reposición puede calcularse a partir de la producción de vapor, la descarga superficial, los vapores de escape y el caudal de retorno de condensado:

Calentamiento del agua condensada oxigenada

Además de calentar el agua de reposición, el agua de condensación oxigenada, que se recoge en depósitos de condensación abiertos y, por tanto, está más fría de 103 °C, también debe calentarse hasta alcanzar la temperatura del agua de alimentación. La temperatura del agua condensada oxigenada suele oscilar entre 50 y 90 °C.

La potencia térmica necesaria se obtiene como consumo de vapor propio directamente de la potencia de vapor de la caldera.

Vapores de escape durante la desaireación

Para que los gases como el oxígeno y el CO₂ disueltos en el agua de reposición y el agua condensada oxigenada también puedan eliminarse del desaireador, una proporción de aproximadamente el 0.5% del caudal másico compuesto por agua de reposición y agua condensada oxigenada debe descargarse en forma de vapores de escape a la atmósfera. Durante este proceso, el oxígeno, el nitrógeno y el dióxido de carbono expulsados son transportados en los vapores de escape fuera del agua a la atmósfera.

Como medida de recuperación de calor, el calor de los vapores de escape puede condensarse en un enfriador de vapores de escape y la energía térmica acumulada puede utilizarse para calentar el agua de reposición.

Info sobre Vapores de escape

Cantidad de vapor de calentamiento para el depósito de agua de alimentación

El vapor necesario para uso propio para calentar el depósito de agua de alimentación puede resumirse mediante la siguiente fórmula:

Consumo nominal de vapor del sistema de calderas

Para determinar la necesidad total de vapor del sistema, deben sumarse todos los consumidores de vapor:

Ejemplo de cálculo de balances de masa y energía

El sencillo ejemplo siguiente ilustra los balances de masa y energía de un sistema de caldera de vapor con un número reducido de componentes.

Para mayor claridad, la comparación se limita al cambio en la cantidad de condensado recirculado y al tipo de tratamiento del agua. El rendimiento térmico en los tres casos se sitúa en torno al 95 %.

Ejemplos de cálculos de balances de masa y energía para diversos sistemas de vapor