Tecnicas de Gestion Energetica en Sistemas de Vapor

1

ESCUELA POLITÉCNICA

NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO DE ENERGÍAS ALTERNATIVAS Y EFICIENCIA

ENERGÉTICA

TÉCNICAS DE GESTIÓN ENERGÉTICA EN SISTEMAS DE VAPOR

Ing. José Luis Palacios [email protected]

Quito, Abril 2010

2

CONTENIDO

CONTENIDO.............................................................................................................II

INDICE DE TABLAS................................................................................................III

INDICE DE FIGURAS ...............................................................................................IV

INTRODUCCIÓN.....................................................................................................VI

BIBLIOGRAFÍAINDICE DE TABLAS

Tabla Nº. 1 Valores recomendados de TDS.............................................................7

Tabla Nº. 2 Factores de seguridad según la aplicación de la trampa de vapor.....29

Tabla Nº. 3 Sugerencias de trampas de vapor según la aplicación.......................29

Tabla Nº. 4 Flujo de vapor perdido por fugas.........................................................35

Tabla Nº. 5 Recomendación de frecuencia de inspección de trampas de vapor...48

Tabla Nº. 6 Flujo de Efectivo..................................................................................60

Tabla Nº. 7 TIR y relación B/C................................................................................62

Tabla Nº. 8 Valor actual neto..................................................................................63

Tabla Nº. 8 Valor actual neto.

INDICE DE FIGURAS

Figura Nº. 1 Circuito típico de vapor.........................................................................2

Figura Nº. 2 Caldera de tubos de fuego o pirotubular..............................................3

Figura Nº. 3 Caldera de tubos de agua o acuotubular.............................................3

Figura Nº. 4 Suministro de combustible...................................................................4

Figura Nº. 5 Diferencia de volúmenes......................................................................5

Figura Nº. 6 Presencia de incrustaciones y hollín....................................................6

Figura Nº. 7 Suministro de agua...............................................................................9

Figura Nº. 8 Distribuidor de vapor...........................................................................13

Figura Nº. 9 Conexión de vapor por la parte superior............................................13

Figura Nº. 10 Pierna Colectora...............................................................................13

Figura Nº. 11 Drenaje de condensado...................................................................14

3

Figura Nº. 12 Separador de vapor..........................................................................14

Figura Nº. 13 Obtención de vapor filtrado..............................................................16

Figura Nº. 14 Trampa de balde invertido descargando condensado, válvula

abierta.....................................................................................................................21

Figura Nº. 15 Trampa de balde invertido, válvula cerrada.....................................21

Figura Nº. 16 Trampa de balde invertido, evacuación del condensado y gases

incondensables.......................................................................................................22

Figura Nº. 17 Trampa de vapor termostática, bimetálica.......................................23

Figura Nº. 18 Trampa de vapor termostática, fuelle...............................................24

Figura Nº. 19 Trampa de flotador y termostato, purga del aire..............................25

Figura Nº. 20 Trampa de flotador y termostato, ingreso de vapor.........................26

Figura Nº. 21 Trampa termodinámica de disco......................................................27

Figura Nº. 22 Diagrama de instalación de trampas de vapor.................................31

Figura Nº. 23 a) Vapor vivo y b) vapor flash...........................................................33

Figura Nº. 24 Visor..................................................................................................34

Figura Nº. 25 Operación de una trampa de vapor, a) normal, b) abierta, c) trampa

inundada.................................................................................................................34

Figura Nº. 26 Revisión ultrasónica..........................................................................37

Figura Nº. 27 Instalación para verificación del funcionamiento de la trampa de

vapor.......................................................................................................................38

Figura Nº. 28 Fuga de vapor en la brida de una tubería principal de vapor..........41

Figura Nº. 29 Trampa de vapor abierta, con el disco rebotando dentro de la tapa

de la trampa............................................................................................................42

Figura Nº. 30 Trampa de vapor nueva, funcionamiento correcto...........................42

Figura Nº. 31 Trampa de flotador y termostato ¾” abierta.....................................43

Figura Nº. 32 Trampa de flotador y termostato de 1”, funcionamiento correcto. Los

círculos de color azul representan la descarga del termostato..............................43

Figura Nº. 33 Trampa termodinámica de ½”, los círculos azules representan la

fuga de vapor en la tapa.........................................................................................44

Figura Nº. 34 Trampa de vapor de balde invertido de ¾”, funcionamiento correcto.

................................................................................................................................44

Figura Nº. 35 Trampa de balde invertido ½”, cerrada requiere revisión urgente.. .45

Figura Nº. 36 Etiquetas de identificación de trampas de vapor.............................46

Figura Nº. 37 Termograma de una tubería de vapor..............................................52

4

Figura Nº. 38 Precio de energía comprada y transformada por la unidad de

generación de vapor...............................................................................................57

Figura Nº. 38 Precio de energía comprada y transformada por la unidad

de generación de vapor.

INTRODUCCIÓN

La gestión energética es una serie de actividades encaminadas en la búsqueda

del uso eficiente y racional de los recursos energéticos. Con el propósito de

reducir el consumo de energía trayendo como resultado ahorros económicos

significativos y sobre todo la reducción del consumo de combustibles fósiles;

sumándose por lo tanto a la gestión energética la importancia ambiental.

Con el objetivo de contribuir en la identificación de valiosas oportunidades de

energía en los sistemas de vapor. El presente curso muestra dos alternativas

técnicas: revisión del funcionamiento de trampas de vapor y termografía.

Resaltándose en la primera técnica el método de inspección ultrasónico de

trampas de vapor por las facilidades de análisis del estado de funcionamiento de

los purgadores de vapor.

Se indica también una sección de contabilidad energética en la cual todos los

aspectos energéticos técnicos son traducidos en términos monetarios mediante la

aplicación de indicadores adecuados. Finalmente, se incluyen los principios

fundamentales para la evaluación económica de oportunidades de energía.

En nuestro país es absolutamente necesario el conocimiento de mecanismos

técnicos que permitan reducir el consumo energético de los procesos, no solo por

la disminución del consumo de combustibles de origen fósil con las reducciones

5

de gases contaminantes hacia el medio también, sino también para aumentar la

competitividad industrial. En este sentido el curso se enfoca también en despertar

el interés de los participantes en la identificación de soluciones a los problemas

energéticos de las industrias ecuatorianas.

José Luis Palacios E.

1

1. ASPECTOS BÁSICOS DE GENERACIÓN DE VAPOR

1.1 EL AGUA COMO FLUIDO DE TRABAJO PARA LA GENERACIÓN

DE VAPOR

El agua es un recurso renovable que ha sido utilizada ampliamente por los seres

humanos en procesos industriales como una fuente de energía térmica, como

materia prima de procesos o para producir energía mecánica para ser utilizada

directamente o para su transformación posterior en electricidad.

Las industrias que utilizan materias primas orgánicas son las que contribuyen de

manera significativa a la carga de contaminantes del agua, siendo el sector de la

alimentación el que más la contamina.

Las razones por las cuales el agua es empleada como un fluido de energía térmica

son:

1. Disponibilidad del recurso mediante fuentes de abastecimiento superficial y

subterráneo.

2. Relativo bajo costo. Aunque en la Cumbre Mundial de Desarrollo Sostenible

de las Naciones Unidas llevada a cabo en Johannesburgo en septiembre del

2002, se consideró al agua como materia prima estratégica y posible fuente de

conflictos internacionales.

3. Propiedades físico-químicas favorables como:

– alto calor específico

– alto calor latente

– baja viscosidad

– alto coeficiente de transferencia de calor

– no es tóxica, ni inflamable

El agua en fase de vapor se utiliza preferentemente porque presente las siguientes

características:

Ing. José Luis Palacios E.

1

– El contenido energético del vapor es superior al del líquido a igualdad de

masa y condiciones de trabajo como temperatura y presión.

– El agua en fase de vapor se autotransporta sin necesidad de usar equipos

de bombeo, consumiendo para ello su propia energía.

– Resulta más fácil satisfacer demandas de energía térmica a diferentes

temperaturas.1

1.1 ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE VAPOR

Los elementos de un sistema de vapor son el generador de vapor o caldera, el

sistema de distribución, lo equipos de consumo de vapor y el retorno de condensado.

Todos los elementos del sistema interactúan entre sí. Si existe mal funcionamiento

en algunos de sus elementos la operación de todo el sistema de vapor será afectada

con importantes pérdidas de energía que provocaran pérdidas económicas

considerables. La figura Nº1, indica los elementos de un sistema de vapor.

Figura Nº. 1 Circuito típico de vapor.Fuente: SPIRAX SARCO, 2000, “Design of Fluid Systems”, Hook Ups, Steam Utilization, Allentown, pp.14

A continuación se describe cada uno de los elementos del sistema de vapor.

1 Borroto, A., 2005, “Ahorro de Energía en Sistemas de Vapor”, Editorial Universidad de Cienfuegos, Cuba, pp. 3-7


1

1.1.1 GENERADOR DE VAPOR

Es el corazón de todo el sistema de vapor. El generador de vapor es un equipo de

intercambio de energía entre la energía desprendida por el combustible de la

reacción de combustión y el fluido de trabajo.

Si la fuente de energía proviene de gases de escape las calderas se llaman

recuperadoras. En los generadores de centrales nucleares la fuente de energía

proviene de la separación de núcleos atómicos, fisión nuclear. Producto del

intercambio energético el agua se convierte en vapor saturado o sobrecalentado.

Un criterio de clasificación de los generadores de vapor es respecto a la disposición

de los fluidos, esto es en tubos de fuego llamadas calderas pirotubulares y de tubos

de agua o calderas acuotubulares, las figuras Nº2 y 3 indican de manera

esquemática la disposición de los fluidos caliente y frío.

Figura Nº. 2 Caldera de tubos de fuego o pirotubular.

Figura Nº. 3 Caldera de tubos de agua o acuotubular.1.1.1.1 Suministro de combustible


2

Una vez que el combustible ha pasado por procesos como filtrado, calentamiento,

dependiendo del estado del combustible sólido o líquido, para garantizar una

combustión adecuada ingresa al quemador de la caldera.

La cantidad de energía liberada por el combustible durante la reacción de

combustión se conoce como valor calórico del combustible y dependiendo si se

considera en los productos de combustión el agua en fase líquida o gaseosa, el valor

calórico se denomina superior o inferior, respectivamente. Siendo este último el más

empleado para la determinación de la eficiencia térmica del generador.

La siguiente figura indica el esquema de suministro de combustible de una caldera

en la cual se emplea F.O.#2 o diesel para su encendido y F.O.#6 o bunker como

combustible principal.

Figura Nº. 4 Suministro de combustible.

Se debe tener en cuenta la variación del volumen del combustible con la

temperatura. Debido a esta variación es necesario calcular el volumen de

combustible a temperatura estándar que es 60ºF o 15ºC. Es decir, que si el

combustible tanto en el tanque de almacenamiento de mayor capacidad, como en el

tanque diario se mantiene a distintas temperaturas el volumen de combustible para


2

fines de cálculo de existencia en los tanques, como para determinar el consumo del

generador deben ser corregidos a condiciones estándar. La manera más sencilla

para realizar esta corrección es mediante el balance de masa de combustible a las

condiciones de temperatura, que a continuación se indica:

m60 = m60 ℃ ℉

m60 = ρ60 V60℃ ℃ ℃

m60 = ρ60 V60℉ ℉ ℉

ρ60 V60 =ρ60 V60℃ ℃ ℉ ℉

VC.E.= V60 ρ60 ρ60℃ ℃ ℉

La figura 02, indica la diferencia de volúmenes entre condiciones de trabajo y

condiciones estándar de un tanque diario.

Figura Nº. 5 Diferencia de volúmenes.

Con el objeto de tener una combustión adecuada y evitar daños en el sistema de

combustión es necesario realizar purgas en el tanque diario de combustible,

principalmente para expulsar contenidos de agua libre y sedimentos de fondo del

combustible.

El consumo de combustible del generador constituye el 80% dentro de la estructura

de costos de generación de vapor; siendo el rubro más significativo y el que se

considera en los diagramas de flujo de efectivo en la evaluación económica de

oportunidades de ahorro de energía.


1

1.1.1.2 Suministro de agua

Siendo el agua el fluido de trabajo más importante para la generación de vapor, esta

debe ser pre-tratada y tratada de manera adecuada antes de ingresar al generador

de vapor. El agua para la generación de vapor se trata para evitar la corrosión y

formación de precipitados en las superficies de transferencia de calor del generador.

La formación de precipitados sobre las superficies de transferencia de calor de la

caldera actúa como aislante térmico, puesto que los precipitados separan el agua

del metal entonces este último no puede ser enfriado. Cuando existe demasiada

formación de precipitados el metal se sobrecalienta y falla.

La siguiente figura indica el esquema de una caldera de tubos de fuego con

incrustaciones en el lado del agua, con presencia de hollín en el lado de fuego.

Figura Nº. 6 Presencia de incrustaciones y hollín.

Una medida que se debe tener en cuenta en el tratamiento del agua es la cantidad

de sólidos disueltos en el agua TDS, que pueden ser medidos de manera indirecta

mediante la conductividad del agua para después con el empleo de tablas se

convertidos a valores de concentración en partes por millón o de forma directa

medidos en ppm.

Dependiendo de la presión de trabajo del generador de vapor, la Asociación

Americana de Constructores de Calderas ABMA, por sus siglas en inglés recomienda

mantener niveles de TDS en valores que se indican en la siguiente tabla 01.


1

Una forma de pre-tratamiento del agua de los generadores de vapor es el filtrado.

Los filtros varían desde cartuchos simples hasta tanques llenos de arena.

El equipo más común de pre-tratamiento de agua en calderas son los ablandadores,

que disminuyen la dureza del agua. El agua es considerada dura cuando es difícil de

hacer espuma. La prueba original para determinar la dureza del agua consistía en el

empleo de una solución de jabón estándar para producir espuma.

Los ablandadores son tanques que contienen resina que posee afinidad por ciertos

iones principalmente sodio, magnesio y calcio.

Tabla Nº. 1 Valores recomendados de TDS.

Presión de Trabajo de la Caldera

(psig)

Sólidos Totales Disueltos

(ppm)0-50 2500

51-300 3500301-450 300451-600 2500601-750 1000751-900 750

901-1000 625Fuente: ABMA, Boiler Blowdown, Fact Data Sheet, http://www.p2pays.org/ref/34/33027.pdf

El objetivo de los ablandadores es cambiar los iones de magnesio y calcio del agua

de alimentación a la caldera por iones de sodio. La razón para ello es que el calcio y

el magnesio producen la formación de precipitados en la caldera y el sodio no. Los

iones de sodio provienen del cloruro de sodio, que se pone en una solución con agua

para formar la salmuera.

La resina también atrapa largas partículas de suciedad del agua, actuando como un

filtro.

Una parte importante para mantener el intercambio iónico es la limpieza y reemplazo

de la resina, un completo reemplazo de esta es común cada cinco años cuando el

contenido de cloro es alto en el agua de alimentación del generador.


2

Los tanques de alimentación de agua con calentadores y deareadores son otros

equipos comunes de pre-tratamiento. Tienen tres funciones principales: remover el

oxígeno, calentar y almacenar el agua de alimentación al generador de vapor.

La remoción de oxígeno se consigue mediante el aumento de la temperatura del

agua. Mientras la temperatura del agua se aproxima al punto de ebullición la cantidad

de oxígeno que puede almacenar disminuye. Calentando el agua a 180ºF o 70ºC se

reduce la absorción máxima de oxígeno a menos de 2 ppm.

Un tanque de almacenamiento puede solo remover oxígeno a pequeños valores y

para ello cuenta con dos tipos de calentadores: con un serpentín o con una flauta de

calentamiento que suministra vapor directamente en el tanque. El vapor calienta el

agua condensándola y volviéndola parte del agua de alimentación mientras agita el

agua. La agitación es necesaria porque ayuda a remover burbujas de oxígeno del

agua. La figura 06, indica el esquema de suministro de agua de una caldera.


1

Figura Nº. 7 Suministro de agua.

Para aplicaciones prácticas los tanques de alimentación de las calderas proveen

simplemente un lugar de almacenamiento del agua a las calderas y retorno de

condensado con capacidad para remover oxígeno. Normalmente el agua de

reposición es suministrada al tanque mediante una válvula con un flotador que

mantiene un nivel constante de agua en el tanque. El agua de reposición, más liviana

es más densa que el condensado y cae al fondo del tanque mezclándose con el

condensado mientras ingresa en la tubería de succión de la bomba centrífuga.

Por otra parte, los deareadores remueven oxígeno hasta cantidades mínimas y son

empleados en plantas de generación de energía eléctrica.

Si el oxígeno no es removido del agua de alimentación este ocasionará corrosión por

picadura en el metal del generador de vapor.


2

Para el control de sólidos totales disueltos en los generadores de vapor, existen dos

purgas; una superficial y otra de fondo. Mediante la purga continua o superficial de la

caldera se reduce la concentración de sólidos disueltos en el agua. El aumento de

TDS resulta en la saturación del agua con sólidos que forman incrustaciones en las

superficies de calentamiento del generador de vapor.

Removiendo el agua de la caldera que contiene la concentración más alta de sólidos

se provee espacio para que el agua de reposición que contiene menos sólidos entre

en el generador y así reducir la concentración global de sólidos en la caldera.

Un indicador eficaz de la formación de precipitados es el incremento en la

temperatura de los gases de escape, puesto que como se explicó anteriormente los

precipitados actúan como agentes aislantes de la transferencia de calor entre los

gases de combustión y el fluido de trabajo resultando en el incremento gradual de los

gases de escape a medida que los precipitados se depositan en las superficies de

calentamiento del generador de vapor. El incremento de temperatura puede ser

verificado mediante registros periódicos de la temperatura de gases de escape. Si la

temperatura de gases de escape excede la temperatura de ebullición del agua en

más150ºF, el generador no se encuentra trabajando de manera eficiente.2

tem.de escape >tem.ebullición+150 →generador ineficiente℉

La purga de fondo está diseñada para remover sólidos asentados en el agua de la

caldera. Las fuentes de estos sólidos incluyen el agua de reposición, óxido y otras

partículas sólidas que retornan con el condensado y la producción intencional de

sólidos del tratamiento químico. Esta purga contribuye a la reducción de sólidos

disueltos con un costo considerable de gasto de agua y energía debido a que la

purga de fondo no se recupera.

Mientras el número de iones de hidrógeno en el agua de la caldera aumenta el pH

(potencial de hidrógeno) disminuye y los iones de hidrógeno libres atacan el metal

del generador, cambiando lugares con las moléculas de hierro del acero.

2 Capehart, B.,2003, “Guide to Energy Management”, The Fairmont Press, Estados Unidos, pp. 326-327


3

Para prevenir este tipo de corrosión se realiza la adición de iones hidroxilo en el

agua. El químico normalmente añadido a las calderas para elevar el pH es hidróxido

de sodio NaOH o sosa caústica para mantener niveles de potencial de hidrógeno en

el rango de 10 a 12. Exceso en la cantidad de hidróxido añadido provoca fragilización

y agrietamiento caústico.

La otra causa de corrosión de los generadores de vapor es el oxígeno disuelto. El

calentamiento de agua en los tanques de almacenamiento y los deareadores

remueven gran contenido de oxígeno, pero es necesario un tratamiento químico para

tener menores concentraciones. Para este propósito el químico empleado es el

sulfito de sodio (NaSO3).

Entonces, prevenir la corrosión consiste en controlar el pH y remover oxígeno.

En cambio, para prevenir la formación de precipitados se emplea en el

pretratamiento los ablandadores y además un producto químico es añadido al agua

para convertir las sales de precipitados en lodos. El sistema convencional para

tratamiento de agua de las calderas es el hidróxido de sodio y fosfato. La sosa

caústica es añadida para aumentar el pH y el fosfato para remover los precipitados

formados en sales para combinarse con ellos mediante lodos para ser expulsados en

la purga de fondo.3

1.1.2 SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR

Es el encargado de transportar el vapor desde la caldera hasta los equipos de

consumo.

Se encuentra formado por un arreglo de tuberías, accesorios, soportes, etc. La

tubería empleada para instalaciones de vapor es la ASTM A-53 o conocida

comercialmente como tubería negra. Se debe tener en cuenta que los diámetros

comerciales de las tuberías son nominales.

Las normas ASME B31.1 y ASME B31.3, son las normativas empleadas para las

instalaciones de generación y equipos de proceso de vapor, respectivamente.

3 Heselton, K., 2003, “Boiler Operator´s Handbook”, The Fairmont Press, Estados Unidos, pp.167-184


2

Un elemento importante de este sistema y al cual no se le toma en cuenta son los

distribuidores de vapor. Es necesario siempre a la salida del generador de vapor

instalar un distribuidor de vapor para evitar que el condensado formado durante la

generación misma de vapor sea arrastrado a los equipos de proceso y también son

empleados para seccionar el consumo de vapor mediante el cierre o apertura de

válvulas; con esto se logra ahorros de vapor en equipos que están fuera de

operación.

La figura 07, indica un distribuidor de vapor; tómese en cuenta que el ingreso de

vapor se realiza por los extremos y el desalojo de condensado es mediante dos

piernas colectoras ubicadas en el extremos opuestos de ingreso de vapor.

La conexión de suministro de vapor a los equipos de consumo debe realizarse por la

parte superior de la tubería principal a manera de cuello ganso, figura Nº09.

De manera general en todos los fluidos en los cuales no se invierte energía para

transportarlos como el vapor, estos consumen su propia energía para circular por las

tuberías, retornando a su estado original; líquido. Por lo tanto las conexiones a

manera de cuello de ganso son imprescindibles para garantizar el suministro de

vapor a los equipos, puesto que el condensado actúa como secuestrador de calor y

afecta la eficiencia de todo el proceso de transferencia de energía.

Figura Nº. 8 Distribuidor de vapor.Fuente: SPIRAX SARCO, 2000, “Design of Fluid Systems”, Hook Ups, Application Diagrams, Section 2, Allentown, pp.84


1

Figura Nº. 9 Conexión de vapor por la parte superior.Fuente: SPIRAX SARCO, 2000, “Design of Fluid Systems”, Hook Ups, Steam Utilization, Allentown, pp.15

Precisamente para remover el condensado formado de la circulación de vapor

saturado y especialmente en los cambios de sección y curvaturas de la tubería, es

necesario instalar piernas colectoras o patas de goteo, figura Nº10.

Figura Nº. 10 Pierna Colectora.Fuente: SPIRAX SARCO, 2000, “Design of Fluid Systems”, Hook Ups, Steam Utilization, Allentown, pp.15

La separación entre puntos de drenaje de condensado en tuberías que conducen

vapor saturado debe ser de ½” en cada 100 pies y en tramos rectos cada 30 o 50

metros, figura 11.

Figura Nº. 11 Drenaje de condensado.


1

1.1.3 USO DE VAPOR

El vapor como agente de contenido energético puede emplearse en equipos de

calentamiento, es decir, para intercambio de energía con otro fluido generalmente

agua en estado líquido como por ejemplo en marmitas o con el aire en secadores. En

este caso el vapor una vez que cede energía retorna como condensado cerrando el

ciclo del sistema de vapor.

Dependiendo del proceso es necesario que el vapor saturado tenga el menor

contenido de humedad posible, lo cual se consigue mediante la instalación de

separadores de vapor, figura Nº12.

Figura Nº. 12 Separador de vapor.Fuente: SPIRAX SARCO, 2000, “Design of Fluid Systems”, Hook Ups, Steam Utilization, Allentown, pp.15

También debido a la resistencia de los materiales empleados en los serpentines de

vapor, se requiere que la presión del fluido sea disminuida antes de ingresar al

equipo con válvulas reguladoras de presión PRV, que pueden ser de acción directa,

controlada internamente o de acción externa, siendo la exactitud de ±10%, ±5% y

±1% de reducción de presión, respectivamente. Al disminuirse la presión del vapor

este aumenta de volumen, siendo evidente este efecto mediante el aumento del

volumen específico en las tablas termodinámicas; por lo tanto se requiere el aumento

del diámetro de la tubería después de PRV.

También, el vapor a menor presión tiene mayor calor latente, es decir, que cada

unidad de masa de vapor contiene más energía, entonces el empleo de PRV

disminuye el consumo de vapor.

Otra aplicación del vapor es como materia prima en el proceso, es decir, el vapor es

parte esencial del proceso especialmente en la industria alimenticia para la cocción

de productos. En este caso hay que tomar en cuenta que el vapor no va a retornar


2

como condensado y esta cantidad no devuelta al sistema debe ser compensada con

el ingreso de agua de reposición al tanque de alimentación del generador de vapor.

Cuando se requiere vapor con ciertas propiedades de asepsia que se emplea para

la cocción directa de productos alimenticios existen filtros que garantizan que el

vapor tenga las cualidades adecuadas para su uso, este vapor se conoce como

vapor sanitario.

Según el proceso en el cual se requiera vapor para uso directo, es necesario que el

vapor tenga ciertas cualidades, entonces el vapor se llama vapor limpio. Este término

puede ser empleado para describir vapor filtrado, vapor limpio o vapor puro. El

primero de ellos se consigue con la instalación de un filtro altamente eficiente, que

remueve partículas con un tamaño mayor a 2.8 micrones. El vapor filtrado se usa

para inyección directa en productos alimenticios, vapor culinario, o en esterilizadores

y autoclaves, figura 13.

Vapor limpio se obtiene mediante un generador de vapor de agua destilada y el

vapor puro se consigue de forma muy similar al anterior.

Figura Nº. 13 Obtención de vapor filtrado.Fuente: SPIRAX SARCO, 2000, “Design of Fluid Systems”, Hook Ups, Allentown, pp.50

1.1.4 RETORNO DEL CONDENSADO

Una vez que se produce el intercambio energético según el proceso requerido el

vapor se condensa y retorna para que se cierre el ciclo. Es necesario resaltar que el

condensado es agua destilada tratada, con un contenido energético importante y por

lo tanto debe ser recolectada para volver al ciclo de generación de vapor.


2

La recuperación de condensado puede ahorrar de 20 a 25% de los costos de

generación de vapor de la planta.

Un error común que se comete a nivel industrial es la falta de recuperación del

revaporizado o vapor flash mediante tanques dispuestos para este propósito

ubicados antes del tanque de condensado.

Los diseños de plantas industriales hasta los años ochentas no consideraban el

dimensionamiento de tuberías para la circulación de revaporizado.

El revaporizado es vapor con considerable contenido de energía que puede ser

empleado para aplicaciones de baja presión como el calentamiento del agua de

alimentación de la caldera.

Se debe tener en cuenta que la utilización de vapor flash en el tanque de

alimentación traerá un aumento de la temperatura del agua, pudiendo producirse

cavitación en la bomba de alimentación. Si este fenómeno ocurriera una solución

sería aumentar la altura de succión de la bomba.

Con el empleo del vapor flash se garantiza una eficiencia adecuada en todo el

proceso de generación, distribución, consumo y retorno de condensado del sistema

de vapor de una planta.


3

1. TRAMPAS DE VAPOR

La importancia del mantenimiento adecuado de trampas de vapor comprende

aspectos tanto económicos como de seguridad.

1.1 FUNCIONES

Una vez que el vapor ha cedido su energía en los procesos requeridos se produce el

cambio a fase líquida, condensado. El cual debe ser removido por elementos

destinados específicamente para este fin de manera eficiente; los elementos del

sistema de vapor encargados para ello son las trampas o purgadores de vapor.

Las trampas de vapor establecen el límite entre el vapor y el condensado, por lo

tanto si existen fallas en su operación se tendrá como resultado escape de vapor,

existiendo por consiguiente pérdidas de energía y pérdidas económicas.

Las funciones de las trampas de vapor son:

• Remover el condensado tan rápido como este se forme por la transferencia

de energía. Si el condensado no es removido, este reduce la capacidad de

flujo de las líneas de vapor y la capacidad de transferencia de calor del


2

equipos. Además, el exceso de condensado puede producir golpe de ariete

hidráulico con resultados potenciales destructivos y peligrosos.

• Evacuar el aire del interior del sistema para mantener una adecuada

transferencia de calor. El aire que permanece después que el sistema ha

empezado a operar, reduce la presión de vapor y la temperatura reduciendo la

capacidad térmica de los equipos.

• Desalojar los gases no condensables CO2 y el Oxigeno. Los gases no

condensables como el oxígeno y el dióxido de carbono causan corrosión en

las tuberías.

• Limitar el paso del vapor si este no ha transferido su energía.

Las trampas de vapor deben ofrecer:

1. Pérdida Mínima de Vapor.

2. Larga Vida y Servicio Seguro. El desgaste rápido de sus partes resulta en un

aumento de reparaciones, mantenimiento no programado y limpieza.

3. Resistencia a la Corrosión. Al trabajar con aire, oxígeno y dióxido de carbono

las partes internas de las trampas deben ser resistentes a estos gases.

4. Venteo de Aire. El aire se puede mezclar con el vapor en el arranque del

proceso, limitando la transferencia de calor y bloqueándolo.

5. Venteo de CO2. Mediante el venteo de CO2 a la temperatura del vapor se

evita la formación de ácido carbónico, por lo tanto la trampa de vapor debe

operar a una temperatura igual o cercana a la temperatura de del vapor. El

CO2 se disuelve en condensado que se ha enfriado a temperatura menor que

el vapor.

6. Funcionamiento con Contrapresión. Presurización de las líneas de retorno

puede ocurrir por diseño o por mal funcionamiento, una trampa de vapor debe

ser capaz de funcionar con contrapresión en la tubería de retorno al sistema.

7. Libre de Problemas de Suciedad. El condensado recoge las impurezas de

tuberías y de equipos de proceso, así como partículas sólidas acarreadas


2

desde la caldera, aún con la instalación de filtros en las líneas de ingreso,

pequeñas partículas pasa a las trampas y estas deben ser capaces de trabajar

con la presencia de ellas.

Una trampa que ofrezca estas características, permitirá una mayor eficiencia en el

sistema y una disminución en los costos, permitiendo al sistema lograr:

– Calentamiento rápido y temperaturas máximas en las unidades para una

mejor transferencia de calor.

– Funcionamiento a máxima capacidad.

– Ahorro de energía.

– Mantenimiento mínimo.4

1.1 TIPOS

El objetivo de las trampas de vapor no es una tarea fácil, las presiones del

condensado y caudales varían significativamente en varios puntos del sistema de

distribución de vapor. Como resultado, varios tipos de trampas de vapor han sido

desarrolladas con este propósito.

Las trampas de vapor son comúnmente clasificadas por el proceso físico que causa

la apertura o cierre de las mismas. Existen tres principales categorías de trampas de

vapor: mecánicas, termostáticas y termodinámicas. Además, varias trampas de vapor

combinan características de más de una de estas categorías básicas para asegurar

un funcionamiento óptimo.

1.1.1 MECÁNICAS

La operación de estas trampas de vapor es debido a la diferencia de densidades

entre el condensado y el vapor. El condensado descansa en el fondo de un

recipiente que contiene dos fluidos, vapor y líquido. Mientras el condesado es

generado, su nivel en el recipiente aumentará. Esta acción es transmitida a una

válvula. Un tipo común de este tipo de trampas de vapor son las trampas de balde

invertido.

4 Almagro, E., 2008, “Ahorro de Energía en Sistemas de Distribución de Vapor”, EPN, pp. 6-7


2

La operación completa de las trampas de balde invertido se describe a continuación:

1. Al inicio de la operación el balde se encuentra en su posición más baja y la

válvula de descarga se encuentra completamente abierta. Cuando el flujo

inicial de condensado ingresa a la trampa, fluye bajo el borde inferior del

balde, llena el cuerpo de la trampa y sumerge completamente el balde. El

condensado sale a través de la válvula completamente abierta y se descarga

a la tubería de retorno de condensado, figura Nº 14.

Figura Nº. 14 Trampa de balde invertido descargando condensado, válvula abierta.

2. El vapor ingresa al interior del balde invertido acumulándose en la parte

superior, provocando que el balde empiece a flotar. Al elevarse el balde la

válvula situada en la palanca se posiciona en su asiento cerrando

herméticamente la línea de salida. Los gases no condensables pasan

continuamente por un orificio de venteo del balde acumulándose en la parte

superior. El vapor que escapa por el orificio se condensa por el mecanismo de

transferencia de calor de radiación del cuerpo de la trampa de vapor. El orificio

debe ser lo suficientemente pequeño para evitar pérdidas excesivas de vapor.


1

Figura Nº. 15 Trampa de balde invertido, válvula cerrada.

3. Cuando el condensado empieza a llenar el balde, este ejerce una fuerza sobre

la palanca de la válvula, al aumentar el nivel de condensado mayor es la

fuerza ejercida en la palanca, la válvula se abre cuando la fuerza ejercida es

suficiente para vencer la presión diferencial de la válvula. Al abrirse la válvula

completamente sale el aire acumulado con gases incondensables, en la parte

superior seguido del condensado. El flujo que hay bajo el borde del balde

levanta impurezas, descargándola hacia la línea de retorno de condensado.

La descarga continua hasta que llegue más vapor que permita flotar el balde y

reiniciar el ciclo nuevamente.

Figura Nº. 16 Trampa de balde invertido, evacuación del condensado y gases

incondensables.

Entre algunas características de este tipo de trampas de vapor se encuentran:


1

– El desgaste generado por fricción en los elementos internos es mínimo.

– Los elementos internos de acero inoxidable son fácilmente

intercambiables.

– El mecanismo de apertura de la válvula está diseñado para la máxima

descarga.

– Los elementos internos de la trampa resisten golpe de ariete.

– Los puntos de desgaste de la trampa están reforzados para una vida útil

más larga, en el caso de la válvula de cierre su diseño permite un mejor

asiento con el desgaste.

– Por su diseño este tipo de trampas se encuentran libres de problemas de

obstrucciones por partículas sólidas, el flujo rápido de descarga de

condensado genera una corriente que eleva las impurezas acumuladas en

el fondo.

– Se puede emplear en sistemas con presiones elevadas y para vapor

sobrecalentado.

– Si la presión de salida ó contrapresión es igual a la presión de entrada la

descarga se vuelve continua.

– Debe existir un sello de agua alrededor del borde del balde para iniciar el

ciclo de trabajo. Esto se logra mediante el ingreso de una pequeña

cantidad de agua cuando se instala la trampa por primera vez.

1.1.1 TERMOSTÁTICAS

La operación de las trampas termostáticas se fundamenta en la diferencia de

temperatura entre el vapor y condensado, mediante la expansión o contracción de un

elemento bimetálico o de un fuelle lleno de líquido. Una trampa de vapor bimetálica y

de fuelle se indican en las figuras Nº17 y 18, respectivamente.


1

Figura Nº. 17 Trampa de vapor termostática, bimetálica.Fuente: U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment” , pp. 6

Figura Nº. 18 Trampa de vapor termostática, fuelle.Fuente: U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment” , pp. 6

Aunque ambos tipos de trampas termostáticas se cierran cuando están expuestas al

vapor, existen importantes diferencias en las características de diseño y operación.

La presión de ingreso hace que la válvula trabaje en la trampa bimetálica, mientras la

expansión del elemento bimetálico trabaja en la dirección opuesta. Fíjese, que la

presión de salida afectará la temperatura a la cual la válvula se abre o cierre.

Además, la relación no-lineal entre la presión y temperatura requiere un diseño

cuidadoso del elemento bimetálico para una respuesta adecuada a diferentes

presiones de operación.

La presión de ingreso y salida tienen un efecto contrario en las trampas de fuelle, un

incremento en la presión de ingreso tiende a cerrar la válvula y viceversa. Mientras

temperaturas elevadas cierran la válvula, la relación entre la temperatura y el fuelle

de expansión puede ser realizada variando significativamente por el cambio del fluido

contenido en el fuelle.


1

En contraste a las trampas de balde invertido, ambos tipos de trampas termostáticas

permiten la purga rápida de aire al inicio del proceso.

Como las trampas de balde invertido trabajan según la diferencia de densidades de

los fluidos para activar su válvula, entonces no se distingue entre aire y vapor.

Purgándose aire y cierta cantidad de vapor a través de un pequeño orificio.

Por otra parte, una trampa termostática opera según la diferencia de temperaturas

para activar su válvula. Hasta que se caliente por vapor su válvula permanece

abierta, permitiendo salir al aire fácilmente. Después que la trampa se calienta, su

válvula se cierra y no se produce una pérdida de vapor. Recociendo esta deficiencia

con las trampas de balde invertido y trampas mecánicas se llevó al desarrollo de las

trampas de flotador y termostato. La expulsión del condensado es impulsado por el

nivel de condensado en el interior de la trampa, mientras que la purga del aire se

realiza por la diferencia de temperatura.5

Su funcionamiento en detalle se explica a continuación:

1. Al arrancar el sistema, el aire sale por el venteador termostático. Después se

tiene una gran cantidad de condensado que eleva el flotador y abre la válvula

de descarga. El aire continúa saliendo por la válvula de venteo termostático,

figura Nº19.

Figura Nº. 19 Trampa de flotador y termostato, purga del aire.

2. Al ingresar vapor al interior de la trampa, el venteador termostático se cierra al

registrar una elevación de temperatura. El condensado sigue fluyendo a través

5 U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment” , Federal Technology Alerts, Pacific Northwest National Laboratory, pp. 5-6


2

de la válvula de descarga, la apertura de la válvula es suficiente para

descargar el condensado con la misma rapidez con la que forma, figura Nº20.

Figura Nº. 20 Trampa de flotador y termostato, ingreso de vapor.

3. Cuando se ha acumulado aire en la trampa la temperatura cae por debajo de

la temperatura de vapor saturado. En ese momento el venteador se abre y

descarga el aire.

Las características de las trampas de flotador y termostato son las siguientes:

– Funcionamiento confiable a presión variable.

– Manejo de cargas variables de condesado y gran capacidad de venteo de

aire y gases no condensables.

– Respuesta inmediata para descargar condensado.

– Resistente al golpe de ariete.

Una variante de la trampa de Flotador y Termostato es la trampa de Flotador libre, en

la que el cierre de la válvula de descarga lo realiza el cuerpo de la esfera ó flotador.

La ventaja de este tipo de trampa es que no existe desgaste de la válvula de cierre

en el punto de contacto de la descarga puesto que esta presenta innumerables

puntos de contacto por lo que su vida útil es mayor.


1

1.1.1 TERMODINÁMICAS

Las trampas termodinámicas operan por la diferencia de presiones del vapor y

condensado, con la presencia de vapor y condensado su diseño es influenciado por

la velocidad de flujo local y presión. La trampas termodinámicas pueden ser de disco,

pistón o de palanca. Cuando condensado subenfriado ingresa en la trampa

incrementa la presión y eleva el disco de su asiento y permite el flujo de condensado

en la cámara y afuera de la trampa. La abertura estrecha de ingreso resulta en un

incremento localizado de velocidad y un decremento de la presión mientras el

condensado fluye por la trampa, explicado por la ecuación de Bernoulli. Mientras el

condensado ingresa se produce un incremento en su temperatura esto produce que

una porción se revaporice por la caída de presión localizada. Esto incrementa la

velocidad y disminuye la presión aún más, causando que el disco se cierre. La

presión moderada del revaporizado o vapor flash en la parte superior del disco actúa

sobre toda la superficie del disco, creando una fuerza mayor que la presión del vapor

y el condensado en el ingreso. Finalmente, el intercambiador del disco se enfría y el

vapor flash se condensa y el condensado tendrá de nuevo una presión adecuada

para elevar el disco y repetir el ciclo.

La siguiente figura, indica las partes y funcionamiento de una trampa termodinámica

de disco.

Figura Nº. 21 Trampa termodinámica de disco.Fuente: U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment” , pp. 7

Algunas características de las trampas termodinámicas son:


1

– Trabajan en el rango total de presiones, máximo y mínimo.

– Se emplean con vapor sobrecalentado y a altas presiones.

– No presentan daño por efecto del golpe de ariete.

– Manejan una gran cantidad de condensado respecto a su tamaño, en

función de la medida de la conexión.

– Presentan bajo rendimiento al trabajar en exteriores. Existen marcas que

presentan modelos con cubiertas para trabajar en exteriores.

– Dificultad de descarga si la contra presión sube hasta un 50 % de la

presión de entrada.

1.1 PRINCIPIOS DE SELECCIÓN

Existiendo tres tipos de trampas de vapor, es importante realizar su selección

adecuada fundamentándose principalmente en el equipo de proceso, puesto que un

tipo determinado de trampa puede funcionar mejor que otro aumentando la

capacidad de transferencia de energía del vapor.

Existen cuatro criterios para la selección de trampas de vapor:

1. Carga de condensado del equipo

2. Factor de seguridad

3. Diferencia de presiones

4. Presión máxima de trabajo

El primer criterio es el más importante, las trampas o purgadores de vapor deben

seleccionarse dependiendo de la carga de condensado a evacuar y no del diámetro

de la tubería de conexión del equipo. La carga de condensado se determina en

función del equipo, existiendo formulaciones adecuadas para este propósito. Por lo

tanto es necesario conocer el funcionamiento del equipo en el cual se va a realizar la

instalación de la trampa o purgador de vapor.

El factor de seguridad F.S. es un criterio que se considera respecto a la

incertidumbre del flujo de condensado que puede descargar la trampa de vapor al

inicio de la operación de un equipo. En la siguiente tabla se indican estos valores.

Tabla Nº. 2 Factores de seguridad según la aplicación de la trampa de vapor.


1

Aplicación F.S.Drenado de líneas 2 a 1Intercambiadores de calor 2 a 1Calentadores de agua vapor 3 a 1Evaporadores 4 a 1Cilindros rotativos 8 a 1

Fuente: Borroto, A., 2005, “Ahorro de Energía en Sistemas de Vapor”, Editorial Universidad de Cienfuegos, Cuba, pp. 86

La siguiente tabla, indica algunas recomendaciones para la selección de trampas de

vapor.

Tabla Nº. 3 Sugerencias de trampas de vapor según la aplicación.

Aplicación Primera Alternativa Segunda AlternativaSerpentines de calefacción de aire

Baja y media presiónAlta presión

flotador y termostatotermodinámica

Calentadores de agua

instantáneos y con almacenamiento flotador y termostatoIntercambiadores de calor

pequeños-alta presióngrandes-baja y media presiónrecalentadores

TermodinámicaFlotador y termostatoFlotador y termostato

Flotador y termostato

Recipientes de camisa de vapor

alta presión

baja presión

Termodinámica



TermodinámicaDrenaje de líneas principales de vapor

0-15 psig16-125 psig126-600 psig

Flotador y termostatoTermodinámicaTermodinámica

Flotador y termostatoBalde invertido

Calefacción de aire Termostática TermodinámicaRadiadores de vapor Termostática TermodinámicaSeparadores de vapor

0-15 psig16-125 psig126-600 psig

Flotador y termostatoTermodinámicaTermodinámica

Flotador y termostatoBalde invertido

Serpentines de tanques de almacenamiento Termostática de expansión líquida

Termodinámica

Serpentines de calefacción sumergidos

alta presiónbaja y media presión

TermodinámicaFlotador y termostato

Termostática

Calentadores unitarios Flotador y termostato Termodinámica


2

Si el equipo opera a distintas presiones debe considerarse la carga de condensado

máxima a la presión mínima.

La diferencia de presiones es la existente entre la presión máxima de suministro de

vapor al equipo y la presión de descarga de condensado. Nótese que si el equipo

cuenta con una válvula reguladora de presión para el cálculo de la presión diferencial

tiene que considerarse la presión de vapor a la que el vapor ingresa al equipo, es

decir, después de la trampa de la PRV. La reducción de presión depende de las

condiciones de diseño de los equipos de proceso, por la tanto este valor vendrá

recomendado por el fabricante del mismo.

El último criterio a considerar para la selección de purgadores de vapor es la presión

máxima de trabajo de la trampa que vendrá determinado por el fabricante.

1.1 PRINCIPIOS DE INSTALACIÓN

Un aspecto que debe tenerse en cuenta en la instalación de trampas de vapor es que

la descarga de condensado de las trampas se realiza por gravedad, por la tanto en

líneas de descarga principales de condensado ubicadas a una altura del suelo

obligatoriamente deben colocarse válvulas unidireccionales después del purgador.

En este caso en particular para determinar la presión de descarga para fines de

cálculos se considera un valor empírico de 0.1 bar por cada metro de elevación de la

tubería de descarga de condensado desde el purgador hasta la conexión de la

tubería principal.

Para evitar que impurezas arrastradas por el flujo de vapor y condensado causen

problemas en las trampas de vapor se colocan filtros antes de los purgadores, que

tienen una malla retenedora para este fin.

El esquema general para la instalación de trampas de vapor se indica en la siguiente

figura.

Figura Nº. 22 Diagrama de instalación de trampas de vapor.


3

Existen algunos modelos de trampas de vapor termodinámicas de disco que incluyen

un filtro de vapor en el cuerpo del purgador, reduciendo espacio para la instalación

en el equipo.

Existen cuatro principios para la instalación de trampas de vapor:

1. Instalar las trampas de vapor en lugares accesibles para su chequeo y

reparación.

2. Ubicar la trampa debajo del punto de recolección del condensado. Esto

elimina la acumulación de condensado y las oportunidades de congelamiento,

corrosión y golpe de ariete.

3. Colocar la trampa de vapor cerca del punto de evacuación. Una tubería larga

permite que el condensado se enfríe antes de su purga.

4. Instalar una sola trampa de vapor por cada unidad condensadora, más de un

equipo conectado a una sola trampa de vapor provocará el ingreso de

condensado al equipo que descargue condensado con menor presión, lo que

se conoce como corto circuito.

1. REVISIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE TRAMPAS DE

VAPOR

En la mayoría de industrias la energía consumida se emplea para generar vapor,

pero buena parte del vapor producido se pierde a través de fugas del sistema de

distribución de vapor, incluyendo tuberías, válvulas y trampas de vapor.

De la experiencia de auditorías energéticas se tiene que en plantas donde no existe

un control regular del estado de las trampas de vapor, es común encontrar

porcentajes entre un 30 y 65% de las mismas que no funcionan de manera

adecuada. Incluso en plantas donde existe un buen programa de mantenimiento


2

estos porcentajes se sitúan entre el 5 y 10%. El porcentaje anual de purgadores en

mal funcionamiento en los Estados Unidos es del 20%, de acuerdo con Armstrong

fabricante internacional reconocido de elementos para sistemas de vapor.

Las pérdidas económicas por purgadores de vapor con mal funcionamiento pueden

ascender de 10 a 100 USD/día de trabajo.

La pérdida económica de las fugas de vapor, incluso en las más pequeñas es muy

elevada. Por ejemplo, un orificio de 4 milímetros de diámetro en una tubería de vapor

a 145 psig fuga 40 kilogramos de vapor por hora, lo que en valores anuales

representa 200 toneladas de vapor para una planta que trabaje en promedio

5000h/año.

Por lo expuesto anteriormente, para el funcionamiento eficiente del sistema de vapor,

en términos energéticos, económicos y ambientales, es imprescindible mantener un

programa de mantenimiento tanto del generador de vapor como de todos los

elementos del sistema, en especial de las trampas de vapor fundamentado en

métodos de inspección confiables.

2.1 MÉTODOS DE INSPECCIÓN

Existen cuatro métodos de inspección de las trampas de vapor: visual, acústico,

electrónico y térmico.

2.1.1 MÉTODO VISUAL

Se fundamenta en la observación de la descarga de las trampas de vapor, cuando

esta se realiza a la atmósfera, es decir, cuando existe recuperación de condensado.

El inspector de trampas de vapor debe reconocer entre vapor flash o revaporizado,

que es característico en el funcionamiento de los purgadores, y vapor vivo, presente

cuando la trampa falla en posición abierta. La diferencia entre vapor vivo y vapor

flash se aprecia en la siguiente figura.


1

a) b) Figura Nº. 23 a) Vapor vivo y b) vapor flash.

Fuente: U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment” , pp. 8

También, se pueden emplear los vidrios de observación para realizar la inspección

visual. Existiendo algunos inconvenientes:

Primero, vapor y condensado existen en la trampa de vapor, vapor vivo en el ingreso

y condensado en la descarga. Segundo, la visión a través del cristal tiende a

deteriorarse en el tiempo por la suciedad externa e interna del visor. Tercero, ambos

vapor y condensado son fluidos claramente diferenciables dentro de la tubería. El

visor de vidrio ha sido desarrollado con características internas que permitan la

identificación de la proporción de vapor y condensado. Un visor incorporado en una

tubería se indica en la figura 24. La figura 25, indica la operación correcta de una

trampa de vapor y una trampa fallando en el modo abierta. La figura 26, en cambio

indica una trampa inundada. Puede deberse por formación de exceso de

condensado durante el inicio del proceso que el purgador subdimensionado no

puede descargar, a un bloqueo en el sistema de retorno de condensado o la trampa

de vapor falla en el modo cerrado.


1

Figura Nº. 24 Visor.Fuente: U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment”, pp. 8

a) b) c)

Figura Nº. 25 Operación de una trampa de vapor, a) normal, b) abierta, c) trampa inundada.

Fuente: U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment”, pp. 8

Se debe tener extremo cuidado cuando las trampas se encuentran cerradas, puesto

que aparte de causar problemas de transferencia de energía, estas pueden provocar

daños al equipo y en el peor de los casos que este salga despedido causando daños

a las personas circundantes al mismo.

En la siguiente tabla se indica el flujo de vapor perdido por fugas en función del

diámetro del orificio y de la presión.

Tabla Nº. 4 Flujo de vapor perdido por fugas.


1

Fuente: U E Systems Inc., http://uesystems.com/pdf/Steam%20Trap%20Inspection%20Guide.pdf

2.1.2 MÉTODO ACÚSTICO

Mecanismos dentro de las trampas de vapor, flujo de vapor y condensado a través

de las trampas generan sonidos audibles para el oído humano por medio de


2

estetoscopios y sonidos supersónicos verificables mediante el empleo de equipos

especiales.

El estetoscopio consiste en una sonda metálica que al ponerla en contacto con la

trampa de vapor, transmite vibraciones a los auriculares a través de una membrana.

Su uso requiere cierta experiencia en el discernimiento de los sonidos y tiene el

inconveniente de que cuando hay varias trampas de vapor próximas, las tuberías

transmiten las vibraciones que pueden causar errores de diagnóstico.

Para detectar los sonidos ultrasónicos se emplea un equipo llamado detector

ultrasónico de trampas de vapor, que se fundamenta en el principio físico de que un

fluido al pasar por un orificio restringido, produce vibraciones de elevada frecuencia,

no captadas por el oído humano, ultrasonido.

El detector ultrasónico de trampas de vapor consiste en una sonda de contacto o

receptor de ultrasonidos, un convertidor de señales de ultrasonidos en impulsos

eléctricos con amplificadores, filtros y convertidor de la señal en sonido audible.

Resulta extremadamente útil para realizar diagnósticos precisos del funcionamiento

de las trampas de vapor, especialmente cuando el equipo consta de un almacenador

de datos que permite su análisis en un ordenador mediante diagramas de nivel de

presión sonoro versus tiempo.

La siguiente figura indica la sonda del detector ultrasónico de trampas de vapor

durante su inspección.


1

Figura Nº. 26 Revisión ultrasónica.Fuente: U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment”, pp. 8

Los diferentes tipos de trampas de vapor producen diferentes sonidos en su

operación. Un operador o técnico puede ser entrenado para reconocer estos sonidos.

Las trampas de balde invertido fallan, por lo regular, en posición abierta, dando como

resultado un sonido continuo similar al vapor cuando pasa por la trampa, el balde

también puede ser oído cuando golpea con el cuerpo de la trampa.

Las trampas de flotador y termostato normalmente fallan en la posición cerrada. Un

pequeño orificio en el flotador de la trampa hará que este por su propio peso, caiga

hacia abajo. En estos la trampa no cierra correctamente y no se oirá ningún sonido.

Alternativamente, si la trampa tiene fallas en la posición abierta, un sonido continuo

será oído, como cuando el vapor pasa a través de la trampa.

Las trampas termodinámicas generalmente fallan en la posición abierta, permitiendo

el paso continuo de vapor. Si la trampa opera normalmente el detector de ultrasonido

puede registrar el sonido del disco en forma cíclica de 4 a 10 veces por minuto.

Cuando las trampas termostáticas fallan en la posición cerrada lo hacen en forma

silenciosa, mientras que aquellas que fallan en posición abierta producen un sonido

continuo de vapor. En operación normal el detector será capaz de registrar el sonido

del ciclo de apertura y cierre.6

6 Borroto, A., 2005, “Ahorro de Energía en Sistemas de Vapor”, Editorial Universidad de Cienfuegos, Cuba, pp. 91-92


1

2.1.3 MÉTODO ELECTRÓNICO

Este método consiste en la utilización de sensores electrónicos para medir la

conductividad del condensado en una cámara que se instala antes de la trampa de

vapor, figura 27.

Figura Nº. 27 Instalación para verificación del funcionamiento de la trampa de vapor.Fuente: SPIRAX SARCO, 2000, “Design of Fluid Systems”, Hook Ups, Allentown, pp.57

El sensor instalado en la cámara, detecta la presencia de condensado y oprimiendo

un botón en un indicador portátil, se cierra el circuito que indica que la trampa está

trabajando correctamente.

Si la trampa falla en la posición abierta, un volumen relativamente grande de vapor

fluye hacia ella, lo que ocasiona una depresión del nivel de condensado del lado que

se alimenta la cámara, dejando descubierto el sensor e interrumpiendo el circuito

eléctrico, con lo cual el indicador portátil señalará que la trampa está fallando.

Mediante conexiones inalámbricas se puede verificar el funcionamiento en tiempo

real de las trampas de vapor durante todo el tiempo de trabajo de las mismas,

llevándose registros que permiten agilitar tareas de mantenimiento ahorrando dinero

y tiempo.


1

2.1.4 MÉTODO TÉRMICO

La medición de la temperatura de la trampa de vapor es considerado el método

menos confiable para la inspección de purgadores, porque vapor saturado y

condensado tienen la misma temperatura, por lo tanto es difícil diferenciar cuando la

operación de la trampa es adecuada o no.

Aunque la información que provee este método es relevante, especialmente cuando

la trampa falla en posición cerrada su temperatura será menor por acumulación de

condensado.

Para este método se pueden emplear termómetros, termocuplas y otros dispositivos

de contacto y termómetros infrarrojos que permiten una evaluación más rápida.

1. APLICACIÓN DEL MÉTODO ULTRASÓNICO

El método más común para realizar la inspección de una trampa de vapor con el

método ultrasónico es colocar la sonda de prueba en la tubería de la descarga del

purgador. Ajustando la sensibilidad en el punto donde los sonidos de la trampa son

escuchados. De manera general, se recomienda realizar esta operación en todo el

cuerpo de la trampa de vapor para determinar el mejor punto de audición que permita

realizar un diagnóstico adecuado de su funcionamiento.


2

A continuación se procede a dar ciertas putas de cada tipo de trampa de vapor.

2.

2.1 RECOMENDACIONES DE CADA TIPO DE TRAMPA

2.1.1 BALDE INVERTIDO

Normalmente fallan en la posición abierta, entonces el vapor fuga de manera directa.

Aparte del sonido del vapor vivo pasando por la trampa de vapor, otra clave para

identificar que la trampa está abierta es escuchar el balde chocando con el cuerpo de

la trampa.

2.1.2 TERMODINÁMICA

Su modo de falla es en la posición abierta, en la cual se puede escuchar al disco

golpeando contra la tapa varias veces sin detenerse.

2.1.3 TERMOSTÁTICA

Cuando este tipo de trampas fallan en la posición cerrada no se registrará ningún

sonido un ligero sonido indicará la presencia de fuga de vapor.

2.1.4 FLOTADOR Y TERMOSTATO

Cuando la trampa de vapor de flotador y termostato opera correctamente el flotador

asciende y desciende en un depósito de condensado, el cual mantiene la válvula de

descarga abierta. Cuando se analizada esta condición, un sonido modulante de la

descarga de condensado es escuchado. Este tipo de trampa normalmente falla en la

posición cerrada. Cuando la trampa falla en esta posición no se escucha ningún

sonido y la trampa permanece fría. Además, durante la operación de la trampa

puede escucharse el sonido del termostato descargando aire y gases no

condensables.

En las siguientes figuras se indican diagramas de la revisión del funcionamiento de

trampas de vapor reales obtenidos de inspecciones a plantas de proceso.


1

Figura Nº. 28 Fuga de vapor en la brida de una tubería principal de vapor.

Al analizar la figura anterior Nº28, se observa que el comportamiento de una fuga es

constante en el tiempo, en cuanto al nivel de presión sonora que esta emite. Siendo

en valor de emisión elevado que corresponde a un valor promedio de 60 dB.

Las siguientes figuras Nº30 y 31 presentan los diagramas de la trampa de vapor en

dos condiciones; la trampa abierta y el de una trampa del mismo tipo que la que se

indica en la fig. Nº30 nueva, respectivamente.

Figura Nº. 29 Trampa de vapor abierta, con el disco rebotando dentro de la tapa de la

trampa.


1

Figura Nº. 30 Trampa de vapor nueva, funcionamiento correcto.

Figura Nº. 31 Trampa de flotador y termostato ¾” abierta.


1

Figura Nº. 32 Trampa de flotador y termostato de 1”, funcionamiento correcto. Los

círculos de color azul representan la descarga del termostato.

Figura Nº. 33 Trampa termodinámica de ½”, los círculos azules representan la fuga

de vapor en la tapa.


1

Figura Nº. 34 Trampa de vapor de balde invertido de ¾”, funcionamiento correcto.

Figura Nº. 35 Trampa de balde invertido ½”, cerrada requiere revisión urgente.


2

1. GESTIÓN DEL MANTENIMIENTO DE TRAMPAS DE

VAPOR

Existen una serie de acciones para que el mantenimiento de las trampas de vapor

sea efectivo y permita realizar un seguimiento fiable del funcionamiento de los

purgadores.

La justificación para llevar a cabo un programa de mantenimiento de trampas de

vapor se halla en la eliminación de vapor perdido por trampas de vapor abiertas con

la disminución de energía y el consecuente ahorro económico. Se debe tener en

cuenta también el aspecto ambiental como justificación para llevar a cabo el

programa puesto que si se ahorro vapor, también se estará disminuyendo el

consumo de combustible fósil del generador, tenga en cuenta que por cada galón de

bunker o diesel, combustibles muy usados en la industria, que se combustiona se

emiten 22.384 libras masa de dióxido de carbono a la atmósfera.7

2.

2.1 REGISTRO DE TRAMPAS DE VAPOR

En ciertas plantas industriales donde no existe un plano del sistema de vapor y se

requiere de forma inmediata realizar la inspección de las trampas de vapor. Lo

7 http://www.eia.doe.gov/oiaf/1605/coefficients.html


2

primero que se debe realizar es la identificación de los purgadores mediante una

etiqueta que sea visible, es decir, se realizará una identificación en sitio, figura 37.

Se recomienda realizar la identificación de trampas de vapor siguiendo el sentido de

flujo de vapor por el sistema distribución.

Con la identificación de cada purgador, se procede a levantar información para

llevarla a un registro inicial que contendrá: un código de identificación, el tipo de

trampa, la localización, es decir, el equipo de consumo en el que se encuentra

instalado, y algo muy importante como es el modo de operación: continuo o por

proceso. Una acción relevante es determinar el porcentaje del tipo de trampas de

vapor existentes en la instalación.

Una vez realizado este paso y coordinando actividades con las personas

responsables de la planta industrial se procede a realizar la inspección del

funcionamiento de trampas de vapor. Se recomienda tener extremo cuidado con las

tuberías de vapor que de vapor que no se encuentran aisladas y de manera general

en todo el sistema de distribución para evitar quemaduras y lesiones.

Los resultados de la inspección se registran en un formato en el que debe constar: el

código de la trampa, el funcionamiento: correcto, abierta, cerrada; novedades

encontradas y el método de inspección utilizado.

La inspección finalmente culmina con un informe en el cual se muestre el registro

inicial de los purgadores, los resultados de la inspección con el porcentaje de

trampas con un funcionamiento inadecuado, conclusiones y recomendaciones. Se


Figura Nº. 36 Etiquetas de identificación de trampas de vapor.

3

debe sugerir continuar con el seguimiento de la revisión de trampas de vapor con un

método de inspección confiable.

2.2 FRECUENCIA DE INSPECCIÓN

El primer informe de la inspección de trampas es el paso inicial para la instauración

un programa de mantenimiento de estos elementos del sistema de vapor hay

muchos pasos que seguir para que se logré el resultado esperado, que es reducir el

porcentaje de trampas abiertas o cerradas.

Para ello se debe establecer una frecuencia de inspección de los purgadores, tabla

Nº5.

Tabla Nº. 5 Recomendación de frecuencia de inspección de trampas de vapor.

Descripción ComentarioFrecuencia de MantenimientoDiario Semanal Mensual Anual

Inspección de trampas de vapor

Trampas de alta presión (250 psig o más), se recomienda una inspección diaria/semanal

X

Trampas de media presión (30-250 psig), se recomienda una inspección semanal/mensual

X

Trampas de baja presión, se recomienda una inspección mensual/anual

X

Reparación o reemplazo de trampas

Repare o reemplace cuando la inspección muestre que hay problemas. Generalmente, las trampas deben ser reemplazadas cada 3 o 4 años.

X

Cuando se reemplace las trampas, verifíquese que su dimensionamiento sea adecuado.

X

Fuente: http://www1.eere.energy.gov/femp/operations_maintenance/printable_versions/om_stchecklist.html

Si bien la tabla anterior debe es una recomendación válida, especialmente para la

implantación, de un programa de mantenimiento de trampas de vapor, la frecuencia

de revisión de los purgadores debe establecerse después en función del ritmo de

operación de la planta, pudiéndose por lo tanto aumentar o disminuir la frecuencia de

revisión.

Algo que no debe descuidarse tampoco cuando se realiza la inspección de trampas

de vapor es la limpieza de los filtros.


2

3. INTRODUCCIÓN A LA TERMOGRAFÍA

La termografía es una técnica de mantenimiento predictivo que es usada para

monitorear las condiciones de maquinarias, estructuras y sistemas de una planta.

Esta técnica usa instrumentación diseñada para monitorear la emisión de energía

infrarroja, para determinar las condiciones de operación. Detectando anomalías

térmicas, es decir, áreas que se encuentran a mayor o menor temperatura a la que

se deberían encontrar normalmente.

La tecnología infrarroja se fundamenta en el hecho de que todos los objetos que se

encuentran a una temperatura mayor al cero absoluto emiten energía o radiación. La

radiación infrarroja es una forma de esa radiación emitida, cubre el espectro en el

rango de 0.7 a 100µm, muy superior al espectro visible.

Los sistemas ópticos de la tecnología infrarroja colectan la energía radiante y la

concentran en un detector, el cual la convierte en una señal eléctrica. Dispositivos

electrónicos amplifican la señal de salida y la procesan de manera que pueden ser

mostradas en forma digital y procesadas en imágenes de video que son llamadas

termogramas. Cada pixel del termograma tiene un valor de temperatura y el

contraste en la imagen se debe a la diferencia en la temperatura de la superficie del

objeto en estudio.

La inspección infrarroja es una técnica no destructiva para detectar diferencias

térmicas que indican problemas en el equipo. Se emplea para realizar inspecciones

en: cajas de velocidades, subestaciones eléctricas, motores, envolvente de

construcciones, rodamientos, líneas de vapor, etc.

3.1 EQUIPOS INFRARROJOS

La determinación de objetos empleando métodos infrarrojos es compleja porque

existen tres fuentes de energía térmica que pueden ser detectadas por un objeto: la

energía emitida por el objeto mismo, energía reflejada y la energía transmitida por el

objeto. Solo el primer tipo de energía es importante para el mantenimiento predictivo,


2

las otras dos distorsionan la información infrarroja. Por lo tanto la energía transmitida

y reflejada debe ser filtrada. Además, se debe considerar la atmósfera entre el objeto

y el instrumento de medida. Vapor de agua y otros gases absorben radiación

infrarroja.

La mayoría de sistemas o instrumentos de monitoreo infrarrojo tienen filtros

especiales que pueden ser usados para evitar los efectos negativos de la atmósfera

circundante al objeto en estudio. Sin embargo el analista termográfico debe

reconocer que elementos del ambiente circundante al objeto pueden afectarán la

precisión de la información infrarroja para aplicar los filtros adecuados.

Hay tres tipos de instrumentos que pueden ser empleados para mantenimiento

predictivo: termómetros infrarrojos, escáneres lineales y sistemas de imágenes.

3.1.1 TERMÓMETROS INFRARROJOS

Son equipos diseñados para determinar la temperatura de un solo punto de la

superficie un objeto en estudio. Dentro de un programa de mantenimiento predictivo,

los termómetros infrarrojos pueden ser usados en conjunto con instrumentos de

análisis de vibraciones para monitorear la temperatura crítica de operación de

maquinaria o equipos de una planta industrial. Está técnica es usada para monitorear

las temperaturas de las cubiertas de rodamientos, bobinado de motores eléctricos,

tuberías de proceso.

3.1.2 ESCÁNERES LINEALES

Este tipo de instrumentos infrarrojos proveen un escaneo de una sola dimensión o

lineal de radiación, proveyendo información de la temperatura superficial de la

maquinaria. Tiene limitaciones en la aplicación del mantenimiento predictivo.

3.1.3 IMÁGENES INFRARROJAS

La mayoría de sistemas de imágenes infrarrojas funcionan como una cámara de

video. El usuario puede observar el perfil de imagen térmica de una amplia área

mirando a través del sistema óptico del equipo. Existe una gran variedad de equipos

de imagen térmica en el mercado, escáneres a color y blanco y negro.


2

A continuación se mencionan algunos aspectos importantes para la selección de este

tipo de equipos:

– Portabilidad

– Facilidad de uso

– Rango de medición de temperatura

– Autonomía de operación

– Lentes intercambiables

– Capacidad de procesamiento de imágenes analógico/digital

– Sistema operativo para análisis de termogramas

El propósito de la inspección infrarroja es detectar y documentar problemas en

sistemas mecánicos o eléctricos.

Un gran porcentaje de problemas en sistemas eléctricos se presentan en ocurren en

terminaciones y conexiones especialmente aluminio cobre.

Se presenta una lista de problemas comunes en sistemas eléctricos:

– Paneles de control y centros de distribución de motores.

– Interruptores principales

– Paneles de distribución de interruptores automáticos

– Motores

– Transformadores

– Capacitores

– Fusibles

– Conductores de corriente, etc.

Por otra parte en sistemas mecánicos la termografía se emplea para determinar

puntos calientes, es decir, puntos que se encuentran a mayor temperatura que los

circundantes; donde se presentan pérdidas térmicas en tuberías aisladas

térmicamente, superficies de calderas y aislamientos en general.8

La siguiente figura indica el termograma de una tubería de vapor.

8 Mobley, R., 2008, “Maintenance Engineering Handbook”, Séptima Edición, Mc Craw Hill, Estados Unidos, pp. 7.105-7.113


2

a) fotografía b) termograma en grila

c) termograma en mosaico

Figura Nº. 37 Termograma de una tubería de vapor.

2. CONTABILIDAD ENERGÉTICA


2

La contabilidad energética se refiere a la traducción de todos los aspectos técnicos

involucrados con la generación de vapor en términos económicos.

Es de elevada importancia en esta sección la determinación de la eficiencia térmica

del generador de vapor. Existen dos métodos para determinarla un método directo en

el que interviene la energía útil de la caldera y el método indirecto en el que se

involucran parámetros de los gases combustionados. Se recomienda el empleo del

método indirecto para las plantas industriales en las cuales el vapor es utilizado

como materia prima de los procesos productivos y no retorna como condensado.

Se sugiere calcular la eficiencia térmica de un generador de vapor según la norma

Europea DIN EN 303-5, por ser un procedimiento completo.

2.1 EFICIENCIA DE LA CALDERA

La eficiencia térmica es el indicador de trabajo de un generador de vapor que

caracteriza el grado de aprovechamiento de la energía suministrada por el

combustible, es decir, la parte de esa energía que ha sido transferida al agente de

trabajo.

Para determinar la eficiencia de la caldera existen dos métodos: el método directo en

el que se relaciona directamente la producción de la caldera con el consumo y

determinar la eficiencia como el porcentaje que representa el calor útil y el calor

disponible, así:

ηd= Q1Qd x 100 , %

Donde:

Q1 calor útil, es el calor transferido al agente de trabajo

Qd calor disponible, constituye la energía de entrada al generador de vapor por

unidad de masa del combustible

El segundo método, es el método indirecto parte de determinar la suma de las

pérdidas térmicas expresadas en porcentaje del calor disponible y luego determinar

la eficiencia como porcentaje restante, así:


3

ηi=100- qp , %

Donde:

qp sumatoria de pérdidas térmicas

Cálculo de pérdidas térmicas

a) Pérdidas de calor sensible con los gases de salida

Está asociada al hecho de que la energía de los gases de salida es superior a la del

aire y el combustible de entrada.

q2=K tg-ta(CO2-CO), %

Donde:

tg temperatura de los gases de escape, °C

ta temperatura del aire ambiente, °C

CO2, CO porcentaje en volumen de dióxido de carbono y monóxido de carbono

contenido en los gases de escape.

K constante que depende del tipo de combustible denominada coeficiente de

Hassentein. Para fuel oil se puede tomar K=0.56-0.58

b) Pérdidas de calor por combustión incompleta

Es la pérdida asociada a la presencia de productos de combustión incompleta (CO,

H2, CH4) en los gases de combustión y que está provocada por la no entrega del

poder calorífico de los mismos durante la reacción de combustión.

Para una evaluación aproximada de la pérdida por combustión incompleta puede

utilizarse la siguiente expresión recomendada por la DIN.

q3= 60 COCO2+CO x 100 , %

Donde:

CO2, CO porcentaje en volumen de dióxido de carbono y monóxido de carbono

contenido en los gases de escape.

c) Pérdida de calor por radiación y convección

Durante el funcionamiento de los generadores de vapor, las superficies exteriores del

horno y los conductos, los colectores, el domo, conductos de gases, tuberías, etc.,


2

alcanzan una temperatura superior a la ambiental. Este gradiente de temperatura

genera una transferencia de calor al medio exterior que se efectúa por dos

mecanismos fundamentales: convección y radiación, lo que representa una pérdida

de calor, en ocasiones significativa, que afecta la eficiencia del generador de vapor.

La magnitud de esta pérdida de calor depende fundamentalmente de las

dimensiones de la unidad (capacidad nominal), de la temperatura y velocidad del aire

exterior.

Esta pérdida de calor es usualmente pequeña en generadores de vapor de media y

alta capacidad, pero se convierte en una de las principales pérdidas en calderas de

pequeña potencia.

Son dos causas principales que pueden provocar un incremento de esta pérdida

durante la explotación:

• El deterioro del aislamiento térmico

• La operación de cargas reducidas

a) Pérdidas con el calor físico de los residuos del horno, q6

Esta pérdida solo tiene significado para combustibles sólidos y está dad por la

extracción de residuos de combustible del horno (escoria y cenizas) con una

temperatura superior al medio ambiente.

b) Pérdidas por purgas

Esta pérdida está asociada a la diferencia de temperatura entre el agua (saturada)

extraída de la caldera para mantener la concentración de sustancias perjudiciales

dentro del rango recomendado y el agua de alimentación.

Q7= Dp(hls-haa)/Bc

Donde:

Q7 calor perdido con las purgas por unidad de combustible, KJ/kg

Dp gasto de agua extraída, Kg/h. Este gasto oscila entre el 1 y 4 % del gasto del

vapor

hls entalpía del agua de la caldera (líquido saturado a la presión del domo), KJ/kg

haa entalpía del agua de alimentación, KJ/kg

Bc gasto de combustible, kg/h


1

c) Consumo de energía en necesidades propia

Se refiere al requerimiento energético de sopladores de aire, calentadores de

combustible, etc. Elementos necesarios para la operación del generador de vapor.

Qnp=qnpBc, KJ/kg

Donde:

Qnp consumo de energía en necesidades propias por unidad de masa de

combustible consumido, KJ/kg

qnp consumo de energía en necesidades propias por unidad de tiempo, KJ/h

Bc gasto de combustible, kg/h

2.1 COSTO DE GENERACIÓN DE VAPOR

Cada unidad de energía generada por la caldera estará afectada por la capacidad de

aprovechamiento de la energía proveniente del combustible, es decir, estará

afectada por la eficiencia de la caldera, figura Nº38.

Figura Nº. 38 Precio de energía comprada y transformada por la unidad de

generación de vapor.

P2=P1ηg

2.2 CONSUMO ESPECÍFICO DE ENERGÍA

También conocido como índice de consumo. Es un indicador de eficiencia energética

y se define como la cantidad de energía por unidad de producción o servicios,

medidos en términos físicos (productos o servicios prestados). Relacionan la energía

consumida (Kwh, litros de combustible, toneladas de fuel oil, toneladas equivalentes

de petróleo) con indicadores de actividad expresados en unidades físicas (toneladas


2

de acero producidas, hectolitros de cerveza producidos, habitaciones-días ocupadas,

etc)9

La expresión matemática que define lo anterior mencionado que se empleará para el

presente proyecto es:

CE= ηg Qihv-haa, kgv/kgc

Donde:

CE consumo específico de combustible, kgv/kgc

ηg eficiencia del generador de vapor

Qi poder calórico inferior del combustible, KJ/kgc

hv entalpía del vapor a la presión de trabajo, KJ/kg

haa entalpía del agua de alimentación, KJ/kg

La determinación con la expresión anterior se recomienda emplearla cuando no

existe retorno completo de vapor al tanque de condensado. Caso contrario este

índice debe venir de una medición simultánea del consumo de combustible y del

vapor generado.

Los indicadores descritos son básicos para poder contabilizar en términos

económicos pérdidas por fugas en tuberías, por trampas de vapor abiertas, por falta

de recuperación de revaporizado.

9 Borroto, A., 2007, “Capacitación en Eficiencia Energética”, Proyecto PROMEC, Quito, pp. 1-15


3

3. PRINCIPIOS DE EVALUACIÓN ECONÓMICA DE

OPORTUNIDADES DE AHORRO DE ENERGÍA

Como en todo proyecto, las oportunidades de ahorro de energía deben tener una

factibilidad técnica y viabilidad económica para que sean realizadas.

A continuación se describen los parámetros más importantes a considerarse para la

evaluación económica de cualquier oportunidad de ahorro de energía.

3.1 FLUJO DE EFECTIVO

Una vez que se determina el ahorro anual y la inversión inicial necesaria para una

propuesta de ahorro de energía se realiza un diagrama de flujo de efectivo.

La siguiente tabla indica de forma algebraica el flujo de efectivo para cinco

propuestas de ahorro de energía.


2

Tabla Nº. 6 Flujo de Efectivo.

Rubros Años 0 1 2 …. 10

Ingresos

1) EMO 1 0.00 IEMO 1 IEMO 1 …. IEMO 12) EMO 2 0.00 IEMO 2 IEMO 2 …. IEMO 23) EMO 3 0.00 IEMO 3 IEMO 3 …. IEMO 34) EMO 4 0.00 IEMO 4 IEMO 4 …. IEMO 45) EMO 5 0.00 IEMO 5 IEMO 5 …. IEMO 5Ingresos Netos (A) 0.00 1nIEMO 1nIEMO …. 1nIEMO

Egresos

Consumo combustible caldera E E E …. E1) Inversión inicial para EMO 1 IIEMO 1 0.00 0.00 …. 0.00

2) Inversión inicial para EMO 2 IIEMO 2 0.00 0.00 …. 0.00




Egresos Netos (B) E+1nIIEMO E E …. E

Flujo de Efectivo (A-B) E+1nIIEMO 1nIEMO - E 1nIEMO - E …. 1nIEMO - E


3

3.2 VALOR PRESENTE

Una vez que se ha determinado el ahorro anual que se consigue con una

oportunidad de ahorro como reparación de trampas de vapor de abiertas,

implementación de tanques de recuperación de revaporizado, aislamiento térmico de

tuberías de conducción de combustible, vapor o condensado. Es necesario calcular

el valor presente que tendrá ese ahorro para ello se emplea la siguiente expresión

matemática:

VP=A1+in -1i1+in 10

Donde:

VP valor presente

A anualidad

1+in -1i1+in factor de valor presente de serie uniforme (FVPSU)

i tasa de descuento

n tiempo de vida del proyecto, generalmente se considera 10 años

3.3 RELACIÓN BENEFICIO/COSTO

Es una razón que se establece entre la sumatoria del valor presente de los ingresos

para la sumatoria del valor presente de los egresos del diagrama de flujo. En nuestro

medio para la evaluación de proyectos económicos relaciones B/C de 1 a 3 son

aceptadas.

3.4 TASA INTERNA DE RETORNO

Es la tasa de descuento a la que el valor actual neto de los flujos futuros es cero,

esto es, la tasa a la cual el valor actual de los egresos efectivos anuales es igual al

valor actual de la inversión.

Se recomienda el empleo de una hoja de cálculo para determinar la TIR a partir del

flujo de efectivo, tabla 7.

10 Blank, L. y Tarquin, A., 2004, “Ingeniería Económica”, 5ta. edición, Mc Graw Hill, México, pp. 59


4

Se esperan obtener tasas internas de retorno del 15 al 30%.

Tabla Nº. 7 TIR y relación B/C.

AñoIngresos Netos (A) Egresos Netos (B) Flujo Efectivo FE (A-B) FVPSU VP Ingresos VP Egresos

0 0.00 E+1nIIEMO E+1nIIEMO 1.0000 VP I0 VP E01 1nIEMO 1nIEMO - E 1nIEMO - E 0.9074 VP I1 VP E12 1nIEMO 1nIEMO - E 1nIEMO - E 1.7307 VP I2 VP E2

… …. …. …. …. …. ….

10 1nIEMO 1nIEMO - E 1nIEMO - E 6.0895 VP I10 VP E10TIR 15.0 a 30 % SUMA 1nVP I 1nVP E

BC= 1nVP I1nVP E

3.5 VALOR ACTUAL NETO

Se define como la suma algébrica de la inversión inicial y el valor presente, así:

VAN=-I0+ VP

Donde:

VAN valor actual neto

I0 inversión inicial

VP valor presente

3.6 TIEMPO DE RECUPERACIÓN DE LA INVERSIÓN

Una forma para determinar el tiempo en cual se va a recuperar la inversión

económica de las oportunidades de ahorro de energía es mediante una regresión

lineal en la que el valor actual acumulado se anule, tabla 8.

Tabla Nº. 8 Valor actual neto.

Año FE FVPSU VAN VAN acumulado

0 E+1nIIEMO 1.0000 VAN0 VAN0

1 1nIEMO - E 0.9074 VAN1 VAN0+ VAN1

2 1nIEMO - E 1.7307 VAN2 (VAN0+ VAN1 + VAN2)3 1nIEMO - E 2.4777 VAN3 VAN0+ VAN1 + VAN2 + VAN3


5

…. …. …. …. ….

10 1nIEMO - E 6.0895 VAN4 VAN0+ VAN1 + VAN2 + VAN3 + VAN4

01VAN

El periodo de recuperación de la inversión se determina de la interpolación lineal del

VAN acumulado. En la mayoría de los casos, se espera que el tiempo de

recuperación de la inversión sea como máximo tres años.

Finalmente, los criterios de aceptación o rechazo para implantación de EMO´s es un

VAN positivo, una relación B/C mayor a uno y en muchos casos que la TIR sea

mayor a una tasa mínima atractiva de retorno TMAR.

BIBLIOGRAFÍA

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de Cienfuegos, Cuba

Capehart, B.,2003, “Guide to Energy Management”, The Fairmont Press, Estados

Unidos

Heselton, K., 2003, “Boiler Operator´s Handbook”, The Fairmont Press, Estados

Unidos

Almagro, E., 2008, “Ahorro de Energía en Sistemas de Distribución de Vapor”,

Escuela Politécnica Nacional, Ecuador

U.S. Department of Energy, 1999, “Steam Trap Performance Assessment”, Federal

Technology Alerts, Pacific Northwest National Laboratory, Estados Unidos


6

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“Voluntary Reporting of Greenhouse Gases Program”, Estados Unidos

U.S. Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy, “Steam Traps

Maintenance Checklist”, Estados Unidos

Borroto, A., 2007, “Capacitación en Eficiencia Energética”, Proyecto PROMEC,

Ecuador

Blank, L. y Tarquin, A., 2004, “Ingeniería Económica”, 5ta. edición, Mc Graw Hill,

México


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