GENERADORES DE VAPOR

TRANSFORMACIONES DEL AGUA EN UN GENERADOR DE VAPOR

Para la descripción de cómo tienen lugar los cambios de fase del agua en un generador de vapor se seguirá paso a paso las transformaciones sobre el esquema de la instalación de un generador de vapor para alimentar a turbinas (figura 4.a). El ejemplo que se analiza es un generador de vapor del tipo tubos de agua, con el hogar de paredes de agua, las características del vapor sobrecalentado producido son presión manomètrica de 1,8 MPa y 238 °C. El agua, en estado líquido, que alimenta al generador se encuentra a 142 °C y a una presión de 2,1 MPa.

En la figura 4 se representa por una parte, el esquema de la instalación (figura 4.a), y por otra, las transformaciones que sufre el agua en su paso por las diferentes partes del generador (figura 4.b). Siguiendo el gráfico que representa las transformaciones, pueden analizarse las transformaciones del agua en sus recorrido por el generador.

Figura 4.a. Esquema del generador.

Figura 4.b. Diagrama de transformación líquido-vapor.

Recorrido 1-2: Economizador

El líquido introducido en el generador a 142 °C, a su paso por el economizados se calienta hasta 173 °C, sin cambiar de fase. La presión y temperatura en los puntos 1 y 2, así como el valor de la entalpia se refleja en la tabla.

De estos datos se desprende que ha aumentado la entalpia del agua en estado líquido en la cuantía de 135 kJ/kg. A partir de disminuir la temperatura de los humos antes de su salida de la caldera. No se ha producido cambio de fase. La energía aportada al liquido se ha destinado a aumentar la temperatura y el contenido de calor del líquido, es decir, su calor sensible. En cuanto al volumen especíñco del líquido ha sufrido una variación de 3,4%, prácticamente inapreciable.

Tramo 2-3-3’: Calderín - Tubos de bajada - Colector interior

El líquido a 173 °C se introduce en el calderín, donde se mezcla con el contenido de éste adquiriendo la temperatura próxima a la del vapor húmedo correspondiente a la presión del calderín y sale por 3 hacia los tubos de bajada que no están sometidos a ninguna aportación de calor. Las condiciones del líquido al abandonar el calderín en el punto 3 son las siguientes, aproximadamente:

El agua líquida en esta mezcla ha aumentado su contenido energético respecto al punto 2 en 155 kJ/kg lo que equivale a un aumento de 35,7 °C.

El liquido comienza a descender de forma natural por los tubos de bajada debido a la diferencia de densidades, entre las columnas 3 -> 3’ (líquido) y 3’ -> 6 (líquido/vapor) como se comprobará más adelante.

En el tramo 3-3’ no hay aportación de calor, y en consecuencia no varía la temperatura del liquido, aumentando la presión según desciende por el tubo de bajada, en la altura de la columna liquido equivalente a la altura geométrica que ha descendido, menos las pérdidas de carga correspondiente.

Tramo: 3’-4

A partir de 3’, el líquido se introduce en el hogar del generador por el interior de los tubos de subida (vaporizadores) que están sometidos a la radiación de la llama y los productos de la combustión, así como a la convección de los mismos.

A medida que el líquido asciende, va refrigerando las paredes de los tubos, con lo que su temperatura aumenta y correspondientemente también aumenta el calor sensible.

Tramo 4-5: Ebullición nucleada localizada o subenfriada

El líquido que sube por los tubos vaporizadores va aumentando progresivamente su temperatura según va refrigerando los tubos; llega un momento en que parte del líquido, en puntos muy localizados de la pared, recibe tal cantidad de calor que alcanza una temperatura superior a la de saturación correspondiente a la presión en ese punto. En esos puntos, el líquido se transforma en vapor y aparece una burbuja. Las burbujas se desprenden de la pared y al incorporarse a la mase del líquido ascendente, encuentras unas condiciones que inducen la saturación y condensan inmediatamente, provocando una aceleración en la curva de calentamiento. El efecto neto de este fenómeno es un aumento de la temperatura del líquido más pronunciado que en los tramos anteriores, sin que s produzca un cambio de fase.

Tramo 5-6: Ebullición nucleada saturada

Prosiguiendo por el tubo ascendente llega un momento en que la aportación de calor y la temperatura alcanzada por el líquido son de tal cuantía que se acentúa la formación de burbujas, parte de las cuales condensan, pero el resto tiene ya un contenido energético suficiente para vencer la tendencia a la condensación y el flujo que asciende por los tubos es desde ese momento una mezcla de líquido y vapor.

Este fenómeno, conocido por ebullición nucleada saturada, tiene una característica muy destacable: la temperatura de la mezcla de líquido y vapor que asciende por el tubo no varía a pesar de que se sigue añadiendo calor; por tanto no hay variación del calor sensible y la energía aportada se invierte íntegramente en provocar la evaporización de cantidades adicionales de líquido por lo que, según se asciende en el tubo, varían los pesos relativos de líquido y vapor existente en la mezcla.

El calor añadido se denomina calor latente de vaporización y en las condiciones, de funcionamiento representa 1908 kJkg, valor muy grande si se compara con el necesario para aumentar la temperatura del agua liquida (4,18 kJ/kg °C).

Además se produce otro fenómeno muy importante: una notable variación del volumen específico. El volumen específico del líquido saturado es de 0,00118 m3/kg mientras que el del vapor esi de 0,1084 m3/kg. Esta variación de densidad provoca la circulación natural, pues la diferencia de peso de las dos columnas de fluido en los tubos de bajada y de subida es grande. Como se deduce de los datos del cuadro siguiente, un título de vapor del 10%, no demasiado alto, produce una expansión (disminución del peso) grande.

Hasta ahora, para el cálculo del contenido de la entalpia del líquido hemos necesitado disponer de dos parámetros, presión y temperatura. Pero ahora sabemos que mientras se está produciendo la evaporación y por tanto mientras coexisten líquido y vapor, la temperatura y la presión permanecen constantes. Significa que es necesario conocer además de la presión (o temperatura), las proporciones relativas de líquido y vapor, que normalmente se definen mediante el parámetro título del vapor.

La determinación del título del vapor húmedo no es fácil, aunque pueden emplearse los métodos que tienen una precisión relativamente buena y que se basan en la realización de los balances de materia y/o energía,

• Método de condensación, normalmente empleado para títulos de vapor bajos. Se comienza pesando el recipiente con agua a temperatura ambiente. A continuación se introduce la muestra de vapor húmedo, de la que se conoce la presión, medida anteriormente en un manómetro. Se deja condensar y se procede a pesarlo y medir la temperatura. Por conservación de la energía entre el estado del vapor cuando se llenaba el depósito, y del estado con el vapor condensado en el depósito se determina el título de vapor.
• Método de laminación, para títulos medios y altos, en este procedimiento, se provoca la expansión isoentálpica del vapor en una restricción. Midiendo la presión y temperatura del vapor una vez expandido, se determina su entalpia, conocida la presión y temperatura del vapor húmedo, y se calcula el título sin más que realizar el cálculo correspondiente al proceso isoentálpico.

Tramo 6-7: Calderín

La producción final del vapor tiene lugar en el calderín donde en la interfase líquido/vapor tiene lugar una separación de las burbujas de vapor que han ascendido por los tubos vaporizados. El vapor desprendido en la interfase arrastra gotas de líquido que es necesario separar del vapor que se envía a los colectores, para lo cual en el calderín se instalan medios separadores de gotas (ciclones, etc.)

Tramo 7-8

Parte del vapor saturado seco que se ha producido en el generador se envía al sobrecalentador, donde se le aporta más calor. El vapor aumenta su temperatura y en consecuencia su calor sensible, pues no hay cambio de tase. Sus características se pueden determinar conociendo la presión y la temperatura.

La entalpia del vapor ha aumentado en 85 kJ/kg para un aumento de 29,9 °C, lo que significa como promedio un aumento de 2,8 kJ/kg por cada grado de aumento de temperatura. En cuanto al volumen específico se ha producido un aumento de aproximadamente el 7%.

Para acabar de centrar los conceptos expuestos y como conclusión al ejemplo comentado, resumiremos a continuación las ideas más importantes.

El calor añadido al líquido y al vapor sin que se produzca cambio de fase se invierte en:

• Aumentar la temperatura.
• Aumentar el contenido de calor, que se conoce en este caso como calor sensible.
• Aumentar el volumen específico.

El calor añadido a un líquido saturado se invierte en transformarlo progresivamente en vapor, dándose las siguientes circunstancias:

• Mientras se produzca cambio de fase no varían la presión ni la temperatura.
• El contenido de calor aumenta en la parte correspondiente al calor de vaporización o latente, sin que se modifique el calor sensible.