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Universidad Tecnológica de San Luis Rio, Colorado

TSU e Ingeniería en Mantenimiento Industrial

Asignatura“Redes de Servicios Industriales”

MCI. Jorge Adalberto Barreras García

San Luis Río Colorado, Sonora Abril del 2012

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Contenido

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Introducción

Este manual Teorico-práctico se realiza con el proposito de eficientar y agilizar el proceso de enseñanza-aprendizaje de los alumnos que cursan la carrera de TSU e Ingenieria en Mantenimiento Industrial, unidad San Luis Río Colorado.

El presente material proporciona las herramientas necesarias para que los alumnos adquieran las habilidades para evaluar la operación y mantenimiento de los sistemas, instalaciones y servicios de aire, vapor de agua y combustibles, mediante la interpretación de diagramas, manuales del fabricante, normas oficiales, para programar su mantenimiento y garantizar su disponibilidad en los procesos, de tal modo que puedan desarrollar ,conservar , mejorar y mantener los procesos productivos utilizando herramientas, equipos y la tecnología adecuada.

En la unidad 1, El alumno programará el mantenimiento a los equipos y elementos de los sistemas de servicio de agua y vapor para optimizar su operación.

En la unidad 2, El alumno programará el mantenimiento a equipos y elementos de los servicios de refrigeración y ventilación para optimizar su operación.

En la unidad 3, El alumno programará el mantenimiento a equipos y elementos de los servicios de aire comprimido para optimizar su operación.

En la unidad 4, El alumno programará el mantenimiento a equipos y elementos de los servicios de combustible para optimizar su operación.

Por ultimo hago especial enfasis sobre el manual, éste ha sido elaborado en base al nuevo modelo por competencias que han adoptado todas las universidades tecnológicas del país, como consecuencia de los cambios constantes tecnológicos de nuestra era.

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Redes de Servicios Industriales

Objetivo general: El alumno evaluará la operación y mantenimiento de los sistemas, instalaciones y servicios de aire, vapor de agua y combustibles, mediante la interpretación de diagramas, manuales del fabricante, normas oficiales, para programar su mantenimiento y garantizar su disponibilidad en los procesos.

Unidad 1: Sistemas de agua y Vapor de agua

Objetivo: Programará el mantenimiento a los equipos y elementos de los sistemas de servicio de agua y vapor para optimizar su operación.

1. Introducción a las redes de servicios de agua y vapor.

1.1 Introducción a los sistemas de vapor.

Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria.

Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que Papín creó una pequeña caldera llamada "marmita". Se usó vapor para intentar mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil.

Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial inglés muy conocido.

La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papín en 1769 y desarrollada posteriormente por James Watt en 1776.

Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua, de cilindros verticales. Ella fue la impulsora de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y continúa en el nuestro.

Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos años como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por kW de potencia, necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.

Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. Vemos una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El humo, es decir los gases de combustión caliente,

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pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos. 

Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-pie/minuto o sea 550 libras-pie/seg., valor que denominó HORSE POWER, potencia de un caballo.

Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76 kgm/seg. Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en homenaje a Watt.

Generalidades

El vapor de agua es un servicio muy común en la industria, que se utiliza para proporcionar energía térmica a los procesos de transformación de materiales a productos, por lo que la eficiencia del sistema para generarlo, la distribución adecuada y el control de su consumo, tendrán un gran impacto en la eficiencia total de la planta. Esta situación se refleja en los costos de producción del vapor y, en consecuencia, en la competitividad y sustentabilidad de la empresa.

En México, la tercera parte de la energía utilizada a nivel nacional, es consumida por la industria, y de ésta, cerca del 70% proviene de combustibles fósiles, distribuidos en la forma siguiente: el gas natural como principal recurso (50%), seguido por el combustóleo (21%) y el coque (11%). Este requerimiento energético demandado por la industria lo conforman principalmente los sistemas de combustión directa, como son los calentadores a fuego directo y calderas, donde estas últimas se utilizan para la generación de vapor, el cual se requiere para suministrar trabajo mecánico y calor a los procesos.

Caldera. Generador de vapor: Es un aparato que se utiliza para generar vapor de agua o para calentar un fluido en estado líquido, mediante la aplicación de calor producido por la combustión de materiales, reacciones químicas, energía solar o eléctrica, utilizando el vapor de agua o los líquidos calentados fuera del aparato (figura 1).

Una caldera es un dispositivo que está diseñado para generar vapor saturado. Este vapor saturado se genera a través de una transferencia de energía (en forma de calor) en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado. La transferencia de calor se efectúa mediante un proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera, elevando progresivamente su presión y temperatura. La presión, como se indicó al inicio, no puede aumentar de manera desmesurada, ya que debe permanecer constante por lo que se controla mediante el escape de gases de combustión, y la salida del vapor formado.

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Debido a que la presión del vapor generado dentro de las calderas es muy grande, estas están construidas con metales altamente resistentes a presiones altas, como el acero laminado.

Figura 1: Caldera

Las calderas de vapor, básicamente constan de 2 partes principales:

Cámara de agua.

Recibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera.

El nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en unos 15 cms. por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores.

Con esto, a toda caldera le corresponde una cierta capacidad de agua, lo cual forma la cámara de agua.

Según la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la superficie de calefacción, se distinguen calderas de gran volumen, mediano y pequeño volumen de agua.

Las calderas de gran volumen de agua son las más sencillas y de construcción antigua.

Se componen de uno a dos cilindros unidos entre sí y tienen una capacidad superior a 150 H de agua por cada m2 de superficie de calefacción.

Las calderas de mediano volumen de agua están provistas de varios tubos de humo y también de algunos tubos de agua, con lo cual aumenta la superficie de calefacción, sin aumentar el volumen total del agua.

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Las calderas de pequeño volumen de agua están formadas por numerosos tubos de agua de pequeño diámetro, con los cuales se aumenta considerablemente la superficie de calefacción.

Como características importantes podemos considerar que las calderas de gran volumen de agua tienen la cualidad de mantener más o menos estable la presión del vapor y el nivel del agua, pero tienen el defecto de ser muy lentas en el encendido, y debido a su reducida superficie producen poco vapor. Son muy peligrosas en caso de explosión y poco económicas.

Por otro lado, la caldera de pequeño volumen de agua, por su gran superficie de calefacción, son muy rápidas en la producción de vapor, tienen muy buen rendimiento y producen grandes cantidades de vapor. Debido a esto requieren especial cuidado en la alimentación del agua y regulación del fuego, pues de faltarles alimentación, pueden secarse y quemarse en breves minutos.

 Cámara de vapor.

Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, en ella debe separarse el vapor del agua que lleve una suspensión. Cuanto más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente también la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.

1.2 Descripción del Sistema de generación y distribución de vaporLa figura 1.2, muestra un sistema de generación y distribución de vapor, cuyas partes principales se describen a continuación.

FIGURA 1.2: Sistema de generación y distribución de vapor.

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a) Sistema de alimentación y tratamiento del agua para la caldera.

Conformado por equipo, tubería y accesorios que permiten el suministro del agua bajo condiciones adecuadas al sistema de vapor.

b) Quemadores.

Dispositivos de la caldera, donde se lleva a cabo la reacción química del aire con el combustible fósil, para transformarse en calor, mismo que posteriormente servirá para cambiar las propiedades del agua líquida a vapor.

c) Hogar de la caldera.

En el caso de las calderas tipo “tubos de agua”, el hogar está formado por paredes hechas con "bancos de tubos"; en calderas tipo “tubos de humo”, el hogar está formado por una envolvente metálica interna. En ambos casos, es en el hogar donde se inicia la transformación del agua en estado de saturación a vapor y donde se termina de realizar el proceso de combustión iniciado en el quemador, liberando calor del combustible.

d) Sistema de distribución del vapor.

Serie de tubos denominados "cabezales y ramales de vapor", que permite llevar el vapor a los puntos donde el proceso lo requiere, con la calidad y en la cantidad demandada.

e) Sistema de retorno de condensados.

Serie de tubos denominados "cabezales y ramales de condensado", que regresan parte del agua que se ha condensado en el proceso. Esta agua, de gran valor por su pureza, se retorna al sistema de generación de vapor con un previo tratamiento. Es muy recomendable la instalación de este sistema, ya que permite recuperar la mayor cantidad posible de condensados.

Considerando que, entre el 40 y 60% de toda la energía empleada por algunas industrias, es consumida para la generación de vapor, la operación eficiente del sistema y su mantenimiento adecuado pueden representar una gran oportunidad para disminuir sus insumos energéticos y, por ende, sus costos de operación.

Existen reglas que, en general, deben seguirse para generar vapor con eficiencia:

Operar la caldera a condiciones normales o máximas (según la carga demandada por el proceso), las cuales alcancen la mayor eficiencia especificada. Los grados de sobrecalentamiento del vapor deberán ser los establecidos desde diseño; de lo contrario, afectarán el área de transferencia de calor en el equipo de proceso.

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Cuando se requiera utilizar vapor en turbinas, ya sea para la generación de energía eléctrica o para movimiento rotatorio, es necesario suministrarlo a su máxima potencia, tomando en cuenta algunos otros niveles que se necesiten en instalaciones de proceso; esto, con la finalidad de que se puedan realizar las extracciones correspondientes de la turbina. Dicha acción permitirá no utilizar válvulas reductoras de presión, lo que origina se eleve la eficiencia del ciclo.

1.3 El agua en la industria

En los procesos industriales el agua realiza importantes funciones: se utiliza para transportar otros materiales en diferentes procedimientos de lavado, como prima y en un sin número de otras aplicaciones que pueden ser exclusivas de una sola industria e incluso de una sola planta.

El agua es un medio adecuado y económico para el lavado general de equipos industriales. Además de la estética, lavar el equipo en la industria es muy importante ya que evita que se contaminen los productos con el polvo o con basura, como medida de seguridad (evita que se acumulen los desechos en el piso y no resbalarse o caerse y lastimarse) y para evitar el polvo que puede dañar al equipo. En la industria nuclear, en donde los procedimientos de lavado son mucho más complejos que en otras industrias, el equipo expuesto a la acumulación de partículas radiactivas se lava minuciosamente con detergentes y se enjuaga abundantemente con agua.

Usos del agua en las industrias

Los usos principales del agua en la industria son: 

Sanitario: Emplean en inodoros, duchas e instalaciones que garanticen la higiene personal. 

 Transmisión de calor o refrigeraciones, como mucho, el uso industrial que mayor cantidad de agua emplea. Aproximadamente el 80 % del agua industrial corresponde a esta aplicación siendo las centrales térmicas y nucleares las instalaciones que más agua necesitan.

Producción de vapor: suele estar dirigida a la obtención de un medio de calentamiento del producto que se desea elaborar. 

 Materia prima: el agua puede ser incorporada al producto final, como en el caso de la producción, acción de bebidas, o puede suministrar un medio adecuado a determinadas reacciones químicas. 

 Utilización como disolvente en los diferentes procesos productivos. 

 Labores de limpieza de las instalaciones. 

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Obtención de energía referida a las centrales hidroeléctricas y- a las actividades que usan vapor de agua para el movimiento de turbinas.

1.4 Sistemas de alimentación y tratamiento del agua para la caldera.

Si bien el agua en forma de vapor es un vehículo para distribuir calor a diversos procesos, nunca se encuentra pura y los elementos que contiene pueden afectar las tuberías y limitar la transferencia de calor en los equipos de proceso. Para mantener la eficiencia de la caldera e incrementar su vida útil es necesario un acondicionamiento que consiste en reducir los depósitos de sólidos e incrustaciones en las superficies de calefacción, así como el evitar su corrosión.

Cada caldera y su agua de alimentación representan una condición única y específica, por lo que la información y recomendaciones que a continuación se listan, son de carácter genérico.

Operar adecuadamente el sistema de alimentación de agua

El agua alimentada en el sistema de vapor tiene que ser transportada, desde su punto de suministro o almacenamiento, hasta el interior de la caldera, pasando a través de los economizadores, mediante un sistema de bombeo.

Para una operación eficiente se recomienda:

Mantener en operación el mínimo número de bombas, según se requiera Mantener la operación de las bombas produciendo la presión de descarga

de diseño. Aprovechar el flujo por gravedad, siempre que sea posible. Si los requerimientos de presión varían considerablemente por los cambios

de estación en el año o en la producción, evaluar la posibilidad de cambiar los impulsores de las bombas.

Usar dispositivos para variar la velocidad en los motores de las bombas de agua de alimentación.

Por lo general, se utiliza un mínimo de dos bombas de alimentación, dependiendo del grado de confiabilidad para mantener la caldera trabajando en caso de falla del suministro de agua. El hecho de disponer de dos bombas permite realizar trabajos de reparación y mantenimiento en una de ellas, mientras que la otra continúa suministrando el agua necesaria para la operación de la caldera. Cuando se utilizan turbinas de vapor para suministrar el agua de alimentación, se recomienda regular al mínimo requerido la presión de su descarga.

Dar tratamiento al agua de alimentación y agua retornada (Condensado)

Es recomendable dar diversos tratamientos al agua antes de introducirla al sistema de generación y distribución de vapor. Se citan los más importantes.

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En el agua cruda, que forma parte de la alimentación a la caldera, deben eliminarse los sólidos en suspensión, reducir “la dureza” (provocada por las sales de calcio, magnesio y silicio) y eliminar otras impurezas solubles.

Aplicar productos químicos, para eliminar el oxígeno disuelto en el agua y controlar su grado de acidez.Gran parte del oxígeno contenido en el agua alimentada a la caldera, es eliminado en el deaereador. Sin embargo, pequeñas cantidades -trazas de éste- aún se encontrarán en el agua, causando la corrosión en el metal de la caldera. Para prevenir esto, un secuestrante de oxígeno debe ser adicionado al agua, de preferencia en el tanque de almacenamiento del deaereador. Así, el secuestrante dispondrá de un tiempo mayor para reaccionar con el oxígeno residual. Otra forma de reducir la corrosión en la caldera es controlando el “pH” (grado de acidez) en el agua, mediante la adición de químicos.

Purgar adecuadamente la caldera, para limitar la concentración de impurezas del agua en la caldera. Las purgas pueden ser localizadas en distintos puntos; éstas pueden ser desde abajo del nivel de agua en el tanque de vapor (o domo del vapor), desde el domo de lodos o cabezal inferior, o también desde el fondo de la caldera. Las purgas pueden ser continuas o intermitentes. A continuación, se establecen algunos principios para llevar a cabo un programa efectivo de purgas.

En calderas tipo tubos de agua (acuotubulares),la concentración de impurezas debe controlarse purgado desde el domo de vapor. Es preferible realizar purgas continuas. También para este tipo de calderas, el purgar desde el domo de lodos o del cabezal inferior elimina los sólidos en suspensión del agua en la caldera. El tratar de controlar la concentración de impurezas purgando en este lugar, puede causar fallas severas en la circulación dentro de la caldera, lo cual causa serios daños. La purga en el fondo debe ser de poca duración, sobre una cantidad ya establecida. Esta cantidad es determinada por el diseño de la caldera, las condiciones de operación y la velocidad de acumulación de sólidos suspendidos.

La purga en calderas del tipo tubos de humo (pirotubulares), puede hacerse de manera continua o intermitente, como también realizarse abajo del nivel de agua o desde el fondo. El tipo de purga, su frecuencia y duración dependen del diseño de la caldera, las condiciones de operación y el tipo de programa de tratamiento de agua.

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Dar tratamiento a los condensados que retornan.Tome en cuenta algunas recomendaciones:

Adicione productos químicos para controlar el grado de acidez. Elimine el oxígeno de los condensados a través de un deaereador,

antes de que vuelvan a entrar junto con el agua de reposición, al sistema de agua de alimentación.

Reduzca el venteo en el deaereador a menos del 0,1% del flujo de agua o menos del 0,5% del flujo de vapor (esta recomendación dependerá del tamaño del sistema de vapor y condensado, así como de la capacidad demandada por el proceso).

Retorne todos los condensados posibles al sistema de agua de alimentación.

1.5 Componentes básicos de un sistema de agua y/o vapor

Existen diversos tipos de bombas, y diferentes aplicaciones. Bombas Cárcamo, bombas de diesel, bombas de agua neumáticas, bombas sumergibles etc.

Bomba sumergible.

Usada en sistemas de retorno o desagüe, ya sean tinas, charolas tanques etc. estas son activadas por medio de flotadores (opcional).

Figura 1.3: Bomba sumergible

Motobombas.

Este tipo de bombas se emplea en lugares donde no existe la electricidad o para desaguar pozos inundados, funcionan por medio de combustión a gasolina.

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Figura 1.4: Motobomba

Bombas de proceso.

Estas vienen en diferentes capacidades de caballaje y volumen, se usan comúnmente en sistemas de agua de proceso, esto es para Recirculación de agua en los sistemas de producción o de agua de uso de empresas, estas bombas mantienen las presiones de agua en los sistemas.

Figura 1.6: Bomba de proceso

Impulsor tipo sobresaliente:

En este grupo, el impulsor (o impulsores) está montado en el extremo de un eje que está en “cantilevered”, o colgando de sus rodamientos (bearings) de apoyo.

Figura 1.7: Impulsor sobresaliente

Impulsor tipo entre “bearings”:

En este grupo, el impulsor o impulsores están montados en un eje con rodamientos (bearings) a ambos extremos. El impulsor está montado entre los bearings.

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Figura 1.8: Impulsor tipo bearings

Suspensión vertical

a) Las bombas verticales son iguales que otras bombas centrífugas excepto que el impulsor descarga en un difusor (tipo campana) en lugar de una voluta.

b) El difusor tiene álabes múltiples que dirigen el líquido bombeado a la columna o al próximo impulsor.

c) Debe bombearse líquido desde aguas subterráneas.d) El uso de un difusor equilibra las cargas de empuje radiales en el eje/difusor.

Figura 1.9: Suspensión vertical

Partes de una bomba centrífuga:

Figura 1.10: Componentes de una bomba centrifuga

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Eje o flecha:

La flecha de una bomba centrífuga tiene como función transmitir el torque que recibe del motor impulsor durante la operación de bombeo, a la vez sujeta al impulsor y a las otras partes giratorias.

La elaboración de una flecha debe ser muy precisa debido a que el espacio que existe entre las partes giratorias de la bomba y las partes fijas es casi cero. Cualquier desviación en la flecha, podría dar como resultado serios daños en el mecanismo.

Cojinetes:

Mantienen la flecha o rotor en correcto alineamiento con las partes estacionarias bajo la acción de cargas radiales y transversales.

Aquéllos que le dan la colocación radial al rotor se conocen como cojinetes de alineación, y los que sitúan el rotor axialmente se llaman cojinetes de empuje.

En la mayoría de las aplicaciones los cojinetes de empuje en realidad sirven como cojinetes de empuje y de alineación.

Impulsores abiertos.

La mayoría se encuentran en bombas de flujo axial, se encuentran en bombas que tienen una función de moler o triturar y mueven mucho volumen (gal/min) pero no desarrollan mucha altura o presión.

Figura 1.11: Impulsor abierto

Impulsores semiabiertos o semicerrados.

Tienen los álabes expuestos pero con un plato redondo de soporte en un lado, se especifican para líquidos con un porcentaje reducido de partículas sólidas tal como sedimento en el fondo de un río.

Figura 1.12: Impulsor semicerrado

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Impulsores cerrados.

Se diseñan con los álabes entre dos platos redondos de soporte, son para líquidos completamente libres de partículas sólidas y las tolerancias son mínimas entre el ojo del impulsor y la carcasa.

figura 1.12: impulsor cerrado

Clasificación de los impulsores según el diseño de succión.

a) Impulsores de admisión simple: El líquido entra al ojo de succión de la bomba por un solo lado.

b) Impulsores de doble admisión: Son un par de impulsores de admisión simple arreglados uno contra otro en una sola fundición, por lo que el líquido entra al impulsor simultáneamente por ambos lados.

Los dos conductos de succión de la cubierta están normalmente conectados a un conducto común de succión y a una sola boquilla de succión.

Sello mecánico:

Es un dispositivo que forma un sello entre las partes rotatorias y estacionarias. Debe sellar en tres puntos:

Entre la parte estacionaria y la cara del prensa-estopa (sello estático). Entre la parte rotatoria y el eje (sello estático/dinámico). Entre la cara del sello rotaria y la cara del sello estacionaria.

Acople: Dispositivo mediante el cual se transmite a la bomba movimiento y potencia. Básicamente pueden ser: acoples flexibles y rígidos

Voluta: Dispositivo en forma de caracol (gusano) en aumento, utilizado para añadir presión a un líquido aumentando su velocidad a través de la fuerza centrífuga y entonces, transformando su velocidad en presión mediante la

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conducción del líquido de un área de tolerancia estricta, a un área de mayor tolerancia.

Caja de cojinetes: donde se alojan los cojinetes de empuje radial y axial para soportar el eje; actúa también como depósito de reserva del lubricante para la lubricación de los cojinetes.

Bombas de desplazamiento positivo

Generan presión o bombean, expandiendo y luego comprimiendo una cavidad o espacio dentro de la bomba.

1. Capturan el líquido y físicamente lo transportan por la bomba hasta la boquilla de descarga.

2. Dentro de la bomba donde la cavidad se expande, se genera una zona de baja presión o vacío, que causa que el líquido entre en la boquilla de succión.

3. La bomba transporta el líquido hacia la boquilla de descarga donde la cavidad se comprime, generando una zona de alta presión.

En este sentido, debido a que la cavidad es fija, podemos decir que en teoría, estas bombas son de “volumen constante” por cada revolución o ciclo de mando.

Clasificación bombas de desplazamiento positivo

Reciprocantes: Embolo o (Plunger), Pistón y diafragma.

Figura 1.13: Bomba reciprocante

Rotativas: Engranaje, tornillo, aleta y Lóbulo.

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Figura 1.14: Bomba rotativa

1.6 Válvulas

En la regulación de los distintos procesos de una planta industrial tendrán un papel fundamental las válvulas. Con ellas podremos controlar los caudales de las distintas corrientes implicadas en el proceso, además de las condiciones internas de presión de depósitos y recipientes.

Una válvula consistirá básicamente en un cuerpo principal dentro del cual van alojados el obturador y los asientos, elementos que me definirán el paso de fluido permitido en cada momento. El obturador consiste en un mecanismo móvil que varía su posición con respecto al asiento, siendo el caudal de paso directamente proporcional a la superficie libre existente entre el embolo y el asiento. Por su diseño deberá acoplar perfectamente sobre el asiento para proporcionar un cierre hermético cuando la válvula esté cerrada. El movimiento del obturador estará comandado por un vástago al que es solidario, siendo este el elemento donde físicamente se actúa para controlar la posición del obturador. Su movimiento podrá ser lineal o rotativo dependiendo del diseño de la válvula. Cabe decir que el cuerpo de la válvula debe estar realizado en un material resistente, capaz de resistir la presión máxima posible en la línea a la vez que garantiza la hermeticidad del dispositivo. El cuerpo de la válvula deberá estar dotado de algún elemento, tal como bridas o rosca, para su conexión a la línea.

La conexión de la válvula a la línea dependerá de las características de estas últimas. En conducciones de menos de dos pulgadas y en todas aquellas destinadas a transporte de sulfhídrico se optarán por el acople de las válvulas mediante soldadura. En líneas mayores a dos pulgadas se recurre a la unión embridada. De acuerdo con el diseño del cuerpo de la válvula y el movimiento del obturador podremos clasificar los diferentes tipos de válvulas. En el diagrama de la siguiente página presentamos los diferentes tipos de válvulas que surgen de esta clasificación. Una clasificación quizás más importante es aquella que caracteriza las válvulas según la función que van a desempeñar en el sistema. Según la cual tendremos los siguientes tipos de válvulas:

• Válvulas de control de corrientes.

• Válvulas de seguridad.

• Válvulas de retención.

Válvulas de regulación

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Esta clase de válvulas se utilizará para realizar el control de caudal, presión, etc. de las distintas corrientes de proceso.

Los principales elementos que componen una válvula de regulación, y su disposición en la misma son los que aparecen en el esquema siguiente:

Figura 1.15: Componentes de una válvula de regulación

1.7 Manómetros

Un manómetro es un aparato que sirve para medir la presión de fluidos contenidos en recipientes cerrados. Existen, básicamente, dos tipos: los de líquidos y los de gases.

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Existen diversos tipos de manómetros, también para diferentes aplicaciones, están graduados en diferentes rangos dependiendo de la presión que se va a usar o a medir. Algunos van de 0-250PSI, otros de 0-6BAR.

Algunos manómetros en el interior tienen un líquido espeso entre la caratula y la protección, esto con el fin de evitar la vibración de la aguja indicadora, para obtener una mejor lectura.

Figura 1.16: Tipos de Manómetros

1.8 Medidores de caudal

Se trata de un cono transparente invertido con una bola plástica en su base. El fluido al circular impulsa la bola hacia arriba, a mayor caudal más sube la bola. La gravedad hace bajar la bola al detenerse el flujo. El cono tiene unas marcas que indican el caudal.

Se usan no solo para líquidos, también se emplean para gases, un ejemplo de esto es el oxígeno que se suministra en los hospitales, este es controlado por medio de un medidor de caudal.

Este medidor también puede servir para controlar el caudal, de tal forma que solo se use la cantidad que se requiere de líquido o gas.

Figura 1.17: Medidores de caudal

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1.9 Tipos de tuberías

Una gran variedad de tubos y otros conductos se encuentra disponible para el abastecimiento de líquidos y gases a los componentes mecánicos, o desde una fuente de abastecimiento a una máquina.

Se necesita adquirir familiaridad con los tubos y sus accesorios no solamente para realizar dibujos de tubería, sino porque el tubo se utiliza frecuentemente como material de construcción. Es necesario también tener en cuenta el conocimiento de las roscas de tubo ya que con frecuencia es necesario representar y especificar agujeros aterrajados para recibir tubos de abastecimiento de líquidos y gases.

Existen en el mercado diferentes tipos de tubos según su función y según su material de fabricación.

Figura 1.18: Tipos de tuberías

Denominación: Diámetro, Costura, Sch, Material, Longitud, Tolerancia.

Diámetro: Diámetro nominal de la tubería en pulgadas.

Costura: SMLS (Tubería sin costura), Welded (Tubería con costura).

Sch: Schedule de la tubería.

Material: Material de la tubería. Ej. ASTM A 106 gr. B.

Longitud: Longitud por pieza. Ej. Piezas de 6m de largo.

Tolerancia: Tolerancia de longitud de la tubería.

Ejemplo de especificación de una tubería:

Tubería 3”, con costura (Welded), Sch 80, extremos para soldadura a tope (BW), según ASTM A120, galvanizada.

ASTM: American Society of Testing Materials.

TUBERIA DE PVC CEDULA 40 Y 80

TUBERIA DE PVC PARA GRANDES CAUDALES

TUBERIA DE COBRE

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Sch: Número que define el espesor de la tubería. SMLS: Seamless o “sin costura”. En las tuberías de gran diámetro el pintado total se puede reemplazar por

franjas. Las franjas o grupos de franjas se pintarán a una distancia máxima de 6

metros entre sí. Se dejará un espacio de 10 cm entre la boca de las válvulas o conexiones y

la franja correspondiente. Si el tramo es limpio, el espacio será el doble del ancho de la franja.

En las tuberías de gran diámetro el pintado total se puede reemplazar por franjas.

Las franjas o grupos de franjas se pintarán a una distancia máxima de 6 metros entre sí.

Se dejará un espacio de 10 cm entre la boca de las válvulas o conexiones y la franja correspondiente. Si el tramo es limpio, el espacio será el doble del ancho de la franja.

1.10 Aislamientos térmicos

Aislante térmico: Es un material usado en la construcción y la industria y caracterizado por su alta resistencia térmica. Establece una barrera al paso del calor entre dos medios que naturalmente tenderían a igualarse en temperatura, impidiendo que entre o salga calor del sistema que nos interesa (como una vivienda o una nevera).

Uno de los mejores aislantes térmicos es el vacío, en el que el calor sólo se trasmite por radiación, pero debido a la gran dificultad para obtener y mantener condiciones de vacío se emplea en muy pocas ocasiones. En la práctica se utiliza mayoritariamente aire con baja humedad, que impide el paso del calor por conducción, gracias a su baja conductividad térmica, y por radiación, gracias a un bajo coeficiente de absorción.

El aire sí transmite calor por convección, lo que reduce su capacidad de aislamiento. Por esta razón se utilizan como aislamiento térmico materiales porosos o fibrosos, capaces de inmovilizar el aire seco y confinarlo en el interior de celdillas más o menos estancas. Aunque en la mayoría de los casos el gas encerrado es aire común, en aislantes de poro cerrado (formados por burbujas no comunicadas entre sí, como en el caso del poliuretano proyectado), el gas utilizado como agente espumante es el que queda finalmente encerrado. También es posible utilizar otras combinaciones de gases distintas, pero su empleo está muy poco extendido.

Aislamiento térmico: Es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor por conducción. Se evalúa por la resistencia térmica que tienen. La

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medida de la resistencia térmica o, lo que es lo mismo, de la capacidad de aislar térmicamente, se expresa, en el Sistema Internacional de Unidades (SI) en m².K/W (metro cuadrado y kelvin por vatio).

Se considera material aislante térmico cuando su coeficiente de conductividad térmica: λ es inferior a λ<0,10 W/m2K medido a 20 °C (obligatorio) o, en el antiguo Sistema Técnico, 0,085 kcal / m2.°C

La resistencia térmica es inversamente proporcional a la conductividad térmica.

Todos los materiales oponen resistencia, en mayor o menor medida, al paso del calor a través de ellos. Algunos, muy escasa, como los metales, por lo que se dice de ellos que son buenos conductores; los materiales de construcción (yesos, ladrillos, morteros) tienen una resistencia media. Aquellos materiales que ofrecen una resistencia alta, se llaman aislantes térmicos específicos o, más sencillamente, aislantes térmicos.

Ejemplos de estos aislantes térmicos específicos pueden ser las lanas minerales (lana de roca y lana de vidrio), las espumas plásticas (EPS, Poliestireno expandido, Polietileno expandido, PUR, Poliuretano expandido), reciclados como los aislantes celulósicos a partir de papel usado, vegetales (paja, virutas madera, fardos de pasto, etc.); entre otros. .

Cuando se produce un "agujero" en el aislamiento, producido por un material muy conductor o un agujero físico, se habla de un puente térmico.

Figura 1.19: a) EPS; b) Espuma de poliuretano

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2. Parámetros de funcionamiento de los equipos de sistemas de agua y vapor.

2.1 Características técnicas de operación

Parámetros de Operación

Diseño: Se diseña para cualquier producción de vapor, presión y temperatura de sobrecalentamiento (hipercríticas), por ejemplo: 1600 T/hr, 170 kg/cm2, 5300c.

Temperatura de salida de los gases: Se sitúa entre 80-150⁰c por encima de la temperatura de saturación.

Producción y rendimiento

La producción especifica horaria media, superior a 25 kg de vapor/m² de superficie de calentamiento, es muy variable, pues depende de la relación entre la superficie radiante de caldera y la superficie total.

El convencional medio en la caldera es del orden del 80%, por lo que se debe complementar con la instalación de economizadores y de precalentadores de aire

Transmisión de calor

Parte se realiza por radiación directa, desde la llama o gases muy calientes, y parte por convección, en zonas de contactos con gases más fríos.

Tratamiento de agua de alimentación

Las exigencias en la calidad del agua son variables, dependiendo de las características del vapor de agua y su destino.

Circulación

Po ejemplo en un generador tipo acuotubular o de tubos de agua los gases calientes circulan por el exterior de los tubos conductores de agua, emulsión agua-vapor o solo vapor, que están sometidos a presión de vapor.

La emulsión agua-vapor descarga normalmente en uno o varios recipientes, tambores o cambiadores mono tubulares resistentes a presión, uno de estos contiene los elementos de separación y purificación del vapor; los otros, están inundados de agua.

La circulación del agua se realiza por empuje ascensional, por diferencia de densidades, o mediante bombeo.

Variaciones de carga

Son adaptables eficientemente a variaciones rápidas de carga

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Fallas

Tienen causas muy variables, siendo la más frecuente la rotura de tubos (por corrosión, fatiga térmica, o incrustación) que se sustituyen o eliminan, sin gran dificultad

3. Medidas de seguridad y eficiencia para los sistemas de agua y vapor de agua.

En el apartado 1.4 se dan algunas recomendaciones para operar adecuadamente y eficientemente el sistema de alimentación del agua, desde la eliminación de sólidos suspendidos en el agua cruda que forma parte de la alimentación de la caldera hasta el tratamiento de los condensados que retornan.

3.1 Quemadores y hogar de la caldera

La eficiencia energética de una caldera puede definirse como el porcentaje de la energía del combustible (carbón, gas y petróleo) que se convierte en energía calorífica para generar el vapor. El método de pérdidas de calor es el más utilizado para determinar la eficiencia de una caldera. Para calcular ésta, simplemente se determinan las pérdidas individuales de calor, expresándolas como un porcentaje del calor suministrado, y se restan del 100%, considerando el principio de que la energía no se pierde.

La mayoría de las calderas son diseñadas para tener eficiencias cercanas a 80%, según lo establece la norma correspondiente; sin embargo, se encuentran trabajando entre el 65 y el 85%, mientras que la parte restante, es decir, el 35% y el 15%, respectivamente, son pérdidas.

Este porcentaje de pérdida puede incrementarse cuando la operación de una caldera no es la adecuada.

Las acciones que aumentan la eficiencia de los sistemas contribuyen sensiblemente a la reducción de esta pérdida, sobre todo en la energía desechada en los gases de combustión. Por lo mismo, una de estas acciones puede ser la utilización de sistemas de recuperación de calor. Por otro lado, también se deben evitar los excesivos consumos de energéticos, que son ocasionados por: un mal funcionamiento de la caldera, los desperdicios de vapor dentro del sistema de distribución hacia el proceso y un mal aprovechamiento de la energía por su inadecuado uso.

Para lograr una operación óptima en la caldera y un uso eficiente de su energía, se recomienda de manera general:

a) Asegurar una adecuada combustión

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b) Eliminar las pérdidas de calor

c) Considerar la posibilidad de recuperar calor

d) Mejorar el control de las calderas y

e) Operar adecuadamente el manejo de aire a la caldera

Enseguida, se describe cada una de estas recomendaciones.

a) Asegurar una adecuada combustión

La combustión es el proceso que permite convertir la energía química contenida en los combustibles en energía calorífica, la cual se transmite al agua para generar vapor. La combustión ocurre por una combinación del oxigeno contenido en el aire, con el carbono e hidrógeno de los combustibles sólidos, líquidos o gaseosos.

El eficiente quemado de los combustibles y el mayor aprovechamiento del calor generado por este proceso, requieren que se preste atención a todos los equipos y dispositivos que conforman el sistema de combustión.

Para que este proceso logre lo anteriormente expuesto, se recomienda operar y mantener adecuadamente el sistema de alimentación de combustible, sea éste gas y/o líquido.

En todos los componentes de los sistemas de combustión, la operación y el mantenimiento adecuado de cada uno de ellos son esenciales para lograr un proceso de combustión eficiente y seguro, por lo que se recomienda tener las siguientes precauciones:

Alimentación de combustible gas

Mantener, en el nivel adecuado, la presión de suministro al quemador. Este es un factor crítico para obtener la operación adecuada del quemador y una combustión eficiente. Las variaciones de presión pueden causar una combustión rica en combustible y altas emisiones de monóxido de carbono (CO).

Las variaciones de presión del gas tienen su origen en la presión del suministro general, es decir, de la válvula de control de presión de la caldera, pero también pueden deberse a defectos o suciedad en el regulador de presión del gas a la entrada de los quemadores.

Verificar la operación correcta de la válvula que modula el gas, para asegurar que responda a las señales provenientes de los controles.

Comprobar que la presión del gas en la boquilla (tobera) sea la correcta; esto se verifica a través de la medición de presión en los manómetros indicadores locales.

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Alimentación de combustible líquido

Mantener la temperatura adecuada de combustible. En las calderas que queman combustóleo pesado, es necesario vigilar la variación de la forma de la flama y mantener la temperatura adecuada del combustible. El cambio de temperatura es generalmente causado por el ensuciamiento del calentador del combustible o por falla o desajuste del control de temperatura. Consulte a los proveedores de estos equipos y siga sus recomendaciones.

Verificar la fluidez del sistema de recirculación de combustible. Cualquier descenso de la temperatura ambiente y/o del combustible requerirá la inspección del sistema. Las bombas de combustible y las válvulas de control de presión necesitan ser inspeccionadas para suministrar el combustible en las boquillas del quemador con la presión adecuada. Se tendrá que verificar la presión del suministro de combustible, cuando menos, una vez al día.

Mantener, en el nivel adecuado, la presión de suministro del combustible. El cambio de presión afecta directamente la capacidad de atomización del combustible, limitando su completa combustión. Las consecuencias que acarrea este cambio de presión son, entre otras, el consumo excesivo de combustible y gases de combustión con inquemados, lo que origina la formación del hollín, reduce la eficiencia y aumenta los costos de operación en la caldera. La variación de presión del combustible puede ser causada por: el desgaste de la bomba, válvula de relevo defectuosa, filtros obstruidos o fuga en el equipo mecánico, cambios en el punto de ajuste de la válvula de control de presión.

Los combustibles líquidos necesitan un medio de atomización, que puede ser aire o vapor, según su disponibilidad. Los cambios de presión en estos medios pueden también formar el hollín. La pérdida de presión puede deberse a problemas en el regulador de presión, en el compresor de aire o a una boquilla sucia del combustible.

Suministro del aire adecuado para la combustión

El exceso de aire se define como la cantidad de éste que es suministrada al quemador, más allá de la requerida teóricamente (por estequiometria), para asegurar una combustión completa. Las infiltraciones de aire dentro de la cámara de combustión traen como consecuencia, el tener un aire adicional que interferirá con la eficiencia del proceso de combustión.

Evitar el exceso de aire. Un nivel excesivo de aire significa pérdidas adicionales de energía, aumento de la temperatura de los gases de chimenea y reducción de la eficiencia de la caldera. La Tabla 1 contiene las recomendaciones para ajustar los niveles de exceso de aire, según los diferentes tipos de combustibles líquido o gas.

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Ajustes de exceso de aire en la especificación de quemadores, de acuerdo con la temperatura del aire de combustión. Este es un problema muy común en la “especificación de quemadores”, cuando se adquieren unidades nuevas. En innumerables pruebas e investigaciones, se ha comprobado que los niveles excesivos de aire provocan incrementos considerables en el suministro de energía a la caldera y la temperatura de los gases que salen de la chimenea, así como la reducción significativa de la eficiencia de la caldera. En el caso contrario, un bajo nivel del exceso de aire provoca que la combustión sea incompleta y se produzca hollín e inquemados. Esta situación ha conducido a que en los diseños de nuevos quemadores se manejen niveles máximos del 15% de exceso de aire; éstos varían de acuerdo con el diseño de la caldera y tipo de combustible utilizado (líquido o gas). No obstante, debido a que en las diferentes estaciones del año no hay un nivel fijo de temperatura del aire, es conveniente tomar en consideración los perfiles de las mismas a lo largo de uno o varios años; esto, con la finalidad de tomar en cuenta dichas variaciones para los requerimientos de combustión en la “especificación del quemador”. En la tabla No. 2, se muestra el efecto de los cambios de temperatura del aire para combustión sobre los niveles de exceso de aire.

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Por otro lado, el cambio de punto de ajuste se ve también modificado por los quemadores que están fuera de operación, así como por ajustes de operación en la caldera y por el entrampamiento de aire.

Evitar infiltración de aire. En los trabajos de mantenimiento, es recomendable una revisión para determinar si existe infiltración de aire. Una forma simple para determinar si ésta existe, es encendiendo el sistema de tiro inducido (si es que existe en la instalación de referencia) y recorriendo con una flama (cerillo de madera, encendedor, etc.) las zonas donde se tenga sospecha de que se está infiltrando aire; la flama se agitará o apagará en los puntos donde exista infiltración; el sellado del hogar en estos sitios permitirá una operación con mejores eficiencias.

Verificar la operación de la compuerta de aire, para asegurar que responda correctamente a las señales provenientes de los controles.

Ajustar la relación de aire/combustible para la operación más eficiente, conforme a la carga de operación en la caldera.

Asegurar la operación adecuada de los quemadores

Mantener limpias las boquillas de los quemadores. La limpieza de éstas es esencial para obtener una forma adecuada de la flama. La acumulación de hollín ocurre muy frecuentemente cuando se queman combustibles líquidos. Eldeterioro de la forma de la flama puede ser indicador de que las boquillas está sucias y deben ser limpiadas.

Ajustar, mediante un quemador tipo modulante, las condiciones de demanda en calderas con un solo quemador.

Ajustar los quemadores en operación de acuerdo con las variaciones de carga. En las calderas con múltiples quemadores, cuando las condiciones de carga no requieren el uso de todos o sí se encuentran todos en uso, deberán ser ajustados los patrones de cada quemador (flama, altura, etc.), para dar su máxima eficiencia.

Revisar periódicamente las condiciones de operación de los quemadores. En la revisión de la configuración del patrón de la flama, como su color e, incluso, el sonido producido por los quemadores, son indicadores de cambios en la operación. Como recomendación, marque y asegure mecánicamente las posiciones más adecuadas de los mecanismos para poder verificar periódicamente su posición, ajuste y funcionamiento.Los cambios en el ajuste del mecanismo aire/combustible varían la relación de éstos, afectan el nivel de exceso de aire y, como consecuencia, la eficiencia de la caldera.

Revisar que no exista infiltración de aire en los ductos de gases de combustión. Controlar los quemadores de acuerdo con las especificaciones del fabricante.

El sistema de control de quemadores se mantendrá de tal forma que se

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asegure la máxima eficiencia, de acuerdo con las especificaciones del fabricante

Ajustar los dispositivos de detección de flama. Los dispositivos de detección de flama se deben ajustar para permitir una operación segura con mínimo excesos de aire (para casos de operación crítica).

Cuidar la posición de las compuertas de regulación. Los quemadores diseñados para operar con bajo nivel de NOx deben mantener en buenas condiciones sus compuertas para la regulación de la combustión en etapas o la

Recirculación de gases de combustión, es decir, tienen que estar libres de obstrucción y ajustadas para responder a las señales de control. Todos los controles restantes del quemador y de NOx deben ajustarse para obtener el mayor control de los NOx, así como una mínima emisión de CO2 y de compuestos orgánicos, a la máxima eficiencia.

b) Eliminar las pérdidas de calor.

Las mayores pérdidas de energía en una caldera convencional se producen a través de los gases que salen de la chimenea, por radiación o por purgas de vapor; es importante evitar estas pérdidas, ya que en el peor de los casos, pueden

representar hasta un 30% del combustible suministrado. La cantidad de calor perdido depende de la temperatura y del volumen de gas que sale de la caldera. Por lo tanto, al reducir cualquiera de estos parámetros disminuirá la cantidad de calor perdido.

Las siguientes son algunas medidas prácticas que pueden ayudar a minimizar las pérdidas a través de los gases de chimenea:

Ajustar el "tiro" en el piso de la caldera. Ajustar el exceso de aire al nivel recomendado por el fabricante del

quemador. Mantener limpias las superficies de intercambio de calor. Recuperar el calor de los gases de chimenea (donde se justifique). Controlar la infiltración de aire.

Así mismo, es necesario evitar las pérdidas por radiación, así como las purgas innecesarias. Estas son algunas recomendaciones al respecto:

Evitar pérdidas por radiación. Es inevitable que una parte del calor de la combustión escape a través de las paredes del hogar (o de la caldera) sin que sea absorbido por el agua. Sin embargo, estas pérdidas de calor por radiación pueden ser controladas, por lo que se recomienda: aislar adecuadamente las paredes del hogar y de la caldera en general, dar un adecuado mantenimiento

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a las capas del aislamiento y mantener en buen estado el refractario. Una caldera aislada adecuadamente tendrá, a plena carga, pérdidas de calor que no superan el 3% (Tabla 3). Entre mayor sea la capacidad de la caldera, menor deberá ser el porcentaje de pérdidas por radiación. Use estos valores sólo como referencia.

Evitar purgas innecesarias. La purga (extracción de agua) en la caldera- ,es necesaria para eliminar los sólidos disueltos en el líquido, pero debido a que éste ya absorbió calor, una purga excesiva dará como resultado una pérdida del mismo.

c) Considerar la posibilidad de recuperar calor.

Los equipos de recuperación, que incluyen varios tipos de intercambiadores de calor, son localizados en lugares donde pueden absorberlo de los gases de combustión, después de que éstos han pasado por las secciones de generación y de sobrecalentamiento de vapor en la caldera.

Para estos equipos se recomienda:

Instalar economizadores. Los economizadores ayudan a incrementar la eficiencia de la caldera al extraer el calor de los gases de combustión. El calor es transferido al agua de alimentación. Si éstos ya están instalados, se deben mantener limpias sus superficies de intercambio térmico, para asegurar un grado adecuado de transferencia de calor.

Instalar precalentadores de aire. Los precalentadores de aire, por un lado, enfrían los gases de combustión antes de que salgan a la atmósfera y, por el otro, elevan la temperatura del aire que entra a la caldera para la combustión; de esta forma, aumentan la eficiencia en el quemado del combustible. La corrosión es el principal problema que se presenta al mantener operando eficientemente los precalentadores de aire. El contenido de azufre en algunos

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combustibles, la humedad en los gases de combustión y el tipo de quemado tienen una gran influencia para que se presente la corrosión.

Instalar equipos de soplado o lavado. Algunos precalentadores de aire están provistos con su propio equipo de soplado. Estos equipos utilizan vapor sobrecalentado o aire comprimido seco como el medio de limpieza. Es preferible el uso de aire comprimido en vez del vapor, debido a la ausencia de humedad; sin embargo, se debe asegurar que haya trampas instaladas y separadores para eliminar la humedad del aire. Revisar periódicamente los economizadores (calentadores de agua de alimentación) y precalentadores de aire, para asegurar una buena transferencia de calor.

d) Mejorar el control de las calderas.

Desde hace 50 años, se han estado dando cambios importantes en la tecnología para el control de las calderas de vapor, lo cual ha mejorado significativamente su operación y eficiencia (Tabla 4). Por lo anterior, se recomienda sustituir los sistemas de control analógicos y neumáticos por sistemas digitales de control distribuido (DCS). Este cambio tecnológico permite aumentar la vida útil de las calderas y su confiabilidad; esto, debido básicamente a que los controles en la actualidad son monitoreados con modernas rutinas de cómputo, mismas que realizan los ajustes en tiempo real.

De esta forma, las fallas pueden ser aisladas fácilmente y en la mayoría de las veces la corrección es automática. Podría decirse que los sistemas de control de este tipo se inspeccionan a sí mismos.

e) Operar adecuadamente el manejo de aire a la caldera.

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Instalar ventiladores de aspas curvadas hacia atrás. Existen tres tipos de ventiladores de tiro inducido, más comúnmente usados en las instalaciones generadoras de vapor, que son: aspas curvadas hacia atrás, aspas rectas y tipo radial. Las más eficientes son las primeras, las cuales ofrecen un 90% de eficiencia; otras ventajas de este tipo de ventilador son su operación muy estable y silenciosa, además de la posibilidad de trabajar a alta velocidad.Es conveniente aclarar, que esta recomendación es para equipos nuevos, para aquellos en operación actual, se recomienda una revisión del sistema: accionador, cople y ventilador, esto con la finalidad de emitir una recomendación acorde al desempeño energético, así como determinar su viabilidad.

Revisar y limpiar periódicamente los ventiladores y sus carcazas, para evitar la acumulación de polvo y suciedad.El polvo y la suciedad reducen la eficiencia del ventilador, cambian lentamente la configuración de las aspas y añaden peso. Esta inspección debe efectuarse, cuando menos, dos veces al año o frecuentemente si los ventiladores están localizados en lugares donde haya altas concentraciones de polvo en el aire cerca de bandas transportadoras, pulverizadores, etc. Aplique las siguientesmedidas :

Mantenga las bandas tensas y las poleas alineadas. Lubrique periódicamente los baleros; cámbielos cuando estén desgastados. Utilice accionadores que dispongan de dispositivos para el control de

velocidad. Instale ductos que reduzcan la caída de presión. Reduzca las fugas en los ductos.

3.2 Sistema de distribución de vapor y retorno de condensado

El sistema de distribución de vapor permite llevar el vapor en la cantidad y calidad requerida por el proceso. En este sistema, es importante:

a) Contar con buenos procedimientos de operación

b) Operar adecuadamente las trampas de vapor

c) Mantener aisladas las tuberías, equipos y dispositivos

d) Evitar las fugas de vapor

e) Mantener una presión de vapor adecuada

A continuación se describe cada una de ellas:

a) Procedimientos de operación generales.

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Emplear analizadores de proceso y tecnologías de control avanzado. Utilizar adecuadamente los sistemas de vacío. Considerar la viabilidad de sustituir los eyectores de vapor (para producir

vacío), por bombas de vacío mecánicas. Operar con el menor número de eyectores de vapor. Los sistemas de vacío,

cuando no se utilizan adecuadamente, incrementan significativamente el consumo de vapor.

Reparar cualquier fuga que se presente. Clasificar cada generador de vapor de acuerdo con sus características de

desempeño y eficiencia. De esta forma, durante los periodos de demanda “pico” de vapor, los generadores más eficientes son los que trabajarán a plena o mínima carga, lo cual mantendrá un consumo de energía al mínimo.

Revisar periódicamente los sistemas de vapor para detectar líneas de vapor usadas con muy poca frecuencia y que puedan ser eliminadas o sacadas de servicio.

Mantener los sistemas de trazado con el mínimo flujo requerido, ya que pueden ocasionar desperdicios de vapor. Analizar la posibilidad de usar cintas de calefacción eléctricas en lugares remotos.

Incluir en el diseño de este sistema, equipos de medición de flujo de vapor.

b) Operar adecuadamente las trampas de vapor.

La función de las trampas de vapor es la de permitir automáticamente el drenado de condensado que se forma en el sistema, sin dejar escapar el vapor, además de permitir la eliminación de aire y gases incondensables. Para asegurar un funcionamiento adecuado, sin pérdidas de energía, se recomienda:

Elaborar para cada área operativa, un programa de revisión rutinaria de las trampas de vapor para verificar su operación adecuada. La frecuencia de revisión dependerá de las condiciones particulares de cada área; sin embargo, debe revisarse, como mínimo, mensualmente.

Mantener un censo actualizado de las trampas de vapor. Numere todas las trampas y registre su localización en un croquis para facilitar su revisión y registro.

Capacitar al personal operativo y de mantenimiento sobre las técnicas de pruebas de operación de trampas. Donde se necesite utilizar equipo ultrasónico, designe personal especializado.

Asignar máxima prioridad a la reparación y mantenimiento de trampas. El aplicar un procedimiento de mantenimiento periódico puede reducir las fallas en trampas hasta un 3 ó 5%. Una trampa que no cierra puede representar pérdidas de vapor entre 22 y 45 kg vapor/hr., (50-100 lb vapor/hr). Por ello,

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establezca un programa de mantenimiento y tome en cuenta que el número de trampas defectuosas debe ser menor del 5% del total.

Seleccionar las trampas de vapor de acuerdo a su aplicación y descarga esperada de condensado.

c) Mantener aisladas las tuberías, equipos y dispositivos.

El aislamiento en tuberías, equipos y accesorios del sistema de distribución de vapor y retorno de condensado, evitará pérdidas de calor hacia el ambiente. Es muy importante instalar, en cada tramo de tubería, el espesor óptimo de aislamiento. En la tabla No. 5 se indica el efecto que produce un inadecuado aislamiento.

Inspeccionar periódicamente el aislamiento para reemplazar o reparar los tramos dañados o deteriorados. Esto es especialmente necesario después de que se han tenido que retirar tramos de aislamiento para reparar fugas de vapor. En general, al menos una vez por año, debe realizarse esta inspección de las líneas de vapor. Durante una inspección de rutina, debe identificarse el daño físico, grietas; bandas y cintas de sujeción rotas; juntas rotas o dañadas; y/o cubiertas dañadas.

Tubo de acero en posición horizontal, temperatura ambiente 24°C, sin velocidad en el aire y una operación de 8760 horas/año. Fuente: DOE.- Energy Tips

Un instrumento muy útil para verificar el estado del aislamiento es el termógrafo. Este instrumento indica la temperatura superficial con imágenes compuestas de varios colores; es ideal para revisar áreas extensas. Los pirómetros de contacto y pistolas caloríficas deben estar en contacto directo con la superficie, para medir su calor.

Revisar el aislamiento después de cualquier mantenimiento. Las áreas donde se han efectuado otros trabajos de mantenimiento, tienen que revisarse para identificar dónde debe repararse el aislamiento. Las colchas aislantes desmontables volverán a colocarse sobre sus equipos. Como regla, los últimos trabajos de mantenimiento serán: la reparación, reemplazo o reinstalación de los aislamientos.

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Bloquear las líneas de vapor que no estén en operación. Evitar las fugas de vapor. Las fugas de vapor son una forma visible de desperdicio de energía y, por lo mismo, también indican una indiferencia por la operación eficiente del sistema. Existen dos métodos para estimar las pérdidas de vapor por fugas: En función del tamaño del orificio (Tabla 6) y en función de la presión de operación vs altura de pluma (Tabla 7).

d) Evitar las fugas de calor.

Para evitar pérdidas de energía por fugas de vapor, se recomienda:

Todas las fugas de vapor debe repararse tan pronto como sea posible. En los procedimientos de mantenimiento, especifique las juntas y empaques

para las bridas de las válvulas. Recurra a un especialista en reparación de fugas, si el sistema de vapor no

puede ser sacado de operación. En el diseño del sistema de vapor, se debe evitar el uso de conexiones

roscadas. Se recomienda consultar el código ANSI para el uso de conexiones para diferentes presiones de vapor

e) Mantener una presión de vapor adecuada.

Usar vapor a la mínima presión posible, para servicios de calentamiento. Esto reducirá el consumo de energía. Los cambios en el proceso o en los equipos, frecuentemente permiten el uso de una menor presión del vapor. Estas consideraciones tendrán que tomarse en cuenta en la fase de diseño; cualquier cambio posterior, en proceso o equipo que se recomiende, debe de ser analizado desde el punto de vista económico para justificarlo.

Aprovechar el vapor a todos los niveles de presión posible. En el vapor de alta presión no deben utilizarse válvulas reductoras de presión, y el vapor de baja

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presión no es conveniente que sea venteado a la atmósfera. Existen grandes ahorros cuando se eliminan los venteos y reducciones de presión. La instrumentación tendrá que considerar, desde su diseño, el monitoreo constante de la presión y los venteos de vapor.En resumen, el sistema de vapor tiene que balancearse adecuadamente. La tabla 7 muestra el valor de las pérdidas de vapor, en kilogramos de vapor o libras de vapor por hora, para un largo de pluma y una temperatura ambiente determinada.

En general para el buen funcionamiento de la caldera, se establecen las siguientes medidas de operación y de seguridad para los sistemas de agua y

vapor de agua.

Generar a la presión más baja posible. Establecer un reparto equilibrado de la carga. entre las calderas existentes,

su producción continua debe situarse entre valores próximos al 85% de su valor nominal.

Instalar el quemador de capacidad variable que sea más adecuado al tipo de caldera y al combustible empleado.

Mantener una combustión eficiente mediante el análisis diario de: Contenido de CO u O2, opacidad en los gases, y el ajuste del exceso de aire y tiro.

Analizar el contenido de CO2 en los gases , si no se dispone de analizadores de CO u O2

Automatizar el funcionamiento de la caldera, incluso con la aplicación de microprocesadores.

Conseguir una baja temperatura de salida de los gases (min 170⁰c) instalando precalentadores de aire y economizadores.

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Conservar en buen estado el aislamiento térmico. Y el refractario de la caldera.

Efectuar una purga continua con recuperación del calor. Atender debidamente la instalación de tratamiento del agua de

alimentación. Integrar todo el proceso de generación de vapor-recuperación de

condensados. Recuperar condensados a la mayor temperatura posible. No introducir condensados contaminados a la caldera. Instalar medición, con registro, para las principales variables de servicio:

presión, temperatura, flujo de vapor, flujo de combustible y de aire de combustión, temperatura y análisis de gases.

Realizar anualmente un balance térmico completo y compararlo con mediciones directas.

Llevar una bitácora diaria, con anotaciones horarias, de los principales parámetros de servicio: presión, temperatura, flujo de vapor, flujo de combustible y de aire de combustión, temperatura y análisis de gases, análisis, índice opacimetrico y temperatura de gases, análisis del agua de alimentación y de la existente en el interior de la caldera.

Capacitar adecuadamente al personal a cargo de la sala de calderas.

Establecer un programa de mantenimiento preventivo:

Revisiones periódicas

Inspecciones y revisiones periódicas

Son reglamentarias las siguientes según las NOM-020-STPS y la NOM-026-STPS:

Anual: Incluye apertura de caldera, medición de espesores, y comprobación de elementos de seguridad y automatización.

Al 5to. Año: Incluye prueba de presión a 1.3 veces la presión de diseño, examen de las partes principales de la caldera, y un ensayo de funcionamiento.

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Inspecciones posteriores: A los 10 años de puesta en servicio se repetirán las inspecciones y pruebas anteriores y , posteriormente se volverán a repetir cada 3 años.

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Unidad 2: Sistemas para aire acondicionado, refrigeración y ventilación

Objetivo: El alumno programará el mantenimiento a equipos y elementos de los servicios de refrigeración y ventilación para optimizar su operación.

1. Introducción a las redes de servicios de aire acondicionado, refrigeración y ventilación.

Conceptos generales

Temperatura: Es una propiedad de la materia que determina la cantidad de energía de un cuerpo.

Escalas de temperatura: Las más usadas son la Celsius y la Fahrenheit.

°C = (°F - 32)/1.8

°F = 1.8 °C + 32

Otras son la Kelvin y la Rankin.

°R = °F + 460

°K = °C + 273

Temperatura bulbo seco: Es la temperatura que indica cualquier termómetro.

Temperatura bulbo húmedo: Es la temperatura en la cual la evaporación del agua reducirá la temperatura del aire. Se mide ordinariamente con un paño húmedo en el bulbo.

Temperatura de saturación: Es la temperatura de ebullición de un líquido, para el vapores la temperatura mas baja sin que exista condensación.

Temperatura punto de rocío: Es la temperatura en la cual la humedad de una mezcla de aire y vapor de agua comienza a condensarse.

Presión: Es la fuerza por unidad de área que ejerce un gas sobre una superficie.

Unidades de presión: Las mas comunes son los psi, las atmósferas y los milímetros de mercurio.

1atm = 14.7psi = 760 mmHg

Presión barométrica: Es la fuerza ejercida por la atmósfera. Su valor al nivel del mar es 14.7 psi.

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Presión absoluta:Es la presión indicada por un manómetro, adicionándole la presión barométrica.

Calor: El calor es energía en transito de un cuerpo a otro como resultado de una diferencia de temperaturas entre ellos.

Unidades de medida del calor: Las mas comunes son las calorías, los BTU, los Joules , las toneladas de refrigeración y los Vatios.

1cal = 4.18J

1BTU = 1055J

1Ton = 3516W

1Ton = 12000BTU/hora

Métodos de transferencia de calor:

Conducción: Ocurre cuando la energía es transmitida por contacto térmico directo entre dos cuerpos.

Convección: Ocurre cuando el calor se desplaza de un lugar a otro por medio de corrientes establecidas mediante un medio que fluye.

Radiación: Ocurre cuando la energía es transmitida de un cuerpo a otro sin necesidad de la intervención de la materia.

Calor sensible: Es la energía térmica que produce un cambio en la temperatura de la sustancia.

Calor latente: Es la energía térmica que produce un cambio en la fase de la sustancia.

Evaporación: Fenómeno por el cual una sustancia en estado líquido pasa al estado gaseoso. En este cambio de estado la sustancia requiere energía, la cual absorbe del medio que la rodea, es por esto que este se enfría.

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Condensación: Fenómeno por el cual una sustancia en estado gaseoso pasa al estado liquido. La condensación de un vapor ocurre de varias formas: Al extraer calor del vapor, aumentado la presión del vapor o ambas.

Refrigeración: La refrigeración se define como cualquier proceso de eliminación de calor. Es la rama de la ciencia que trata con los procesos de reducción y mantenimiento de la temperatura de un espacio o material a temperatura inferior con respecto de los alrededores. Para lograr lo anterior, debe sustraerse calor del cuerpo que va a ser refrigerado y ser transferido a otro cuerpo cuya temperatura es inferior a la del cuerpo refrigerado.

Agente refrigerante: En cualquier proceso de refrigeración, la sustancia empleada para absorber calor o agente de enfriamiento, se llama refrigerante.

Carga de refrigeración: La velocidad a la cual deba ser el calor eliminado de un espacio o material refrigerado a fin de producir y mantener unas condiciones deseadas de temperatura se le llama la carga de refrigeración, la carga de enfriamiento o la carga térmica.

Carga térmica: La carga térmica o carga de enfriamiento es la suma del calor generado por diferentes fuentes, tales como: Carga por transmisión que es el calor que pasa del exterior al espacio refrigerado a través de las paredes, carga por infiltración que es el pasa al espacio refrigerado debido al aire caliente que ingresa por puertas o ventanas, carga del producto que el cedido por el producto a medida que es enfriado, carga por personas que es el cedido por las personas que laboran en el interior del espacio refrigerado y cargas varias que es el cedido por cualquier equipo productor de calor localizado dentro del espacio refrigerado, tales como: lamparas, montacargas, motores evaporadores.

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Bibliografía

1. "Metodología para Evaluar Sistemas de Generación y Distribución de Vapor". Conae 2000, 1ª. Edición, México.

2. "Diagnósticos Energéticos del Sistema de Generación y Distribución de Vapor de Corporativos y Pequeñas Empresas, 1999. Conae, México.

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USA.6. Department of Energy (DOE) de los E.E.U.U. American Boiler Manufacturers

Association (ABMA).7. American National Standards Institute (ANSI) Secc. B 31 (Última edición).

Sitios de internet

1. http://www.conae.gob.mx