Mikarimin. Revista Científica Multidisciplinaria ISSN 2528-7842
Evaluación de la calidad del agua para generación de vapor en un hospital de la provincia de Manabí
© Centro de Investigación y Desarrollo. Universidad Regional Autónoma de Los Andes - Extensión Santo Domingo. Ecuador.
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Evaluación de la calidad del agua para generación de vapor en un hospital de la provincia
de Manabí
AUTORES: Gabriel Burgos Briones
1
César Cordera Ajila
2
Carlos Moreira Mendoza
3
Ulbio Alcívar Cedeño
4
Hipatia Delgado Demera
5
Carlos Cedeño Palacios
6
DIRECCIÓN PARA CORRESPONDENCIA: gabriel.burgos@utm.edu.ec
Fecha de recepción: 13-02-2021
Fecha de aceptación: 22-04-2021
RESUMEN
La presente investigación consistió en una evaluación de la calidad del agua para la generación de
vapor en la caldera de un hospital, identificando condiciones de operación, el consumo de vapor,
y los equipos involucrados; se determinaron las características físicas y químicas del agua de
alimentación y condensados. Para el cumplimiento de los objetivos se utilizó una investigación
de campo para la obtención de información y datos de fuente primaria referente al objeto de
estudio; y una investigación experimental para la caracterización de los parámetros físicos y
químicos del agua de alimentación y condensados del sistema evaluado. En cuanto a las
características físicas y químicas del agua de alimentación para la generación de vapor y
condensados se determinó que el pH se encuentra por debajo del rango; sólidos disueltos,
conductividad y oxígeno disuelto se encuentran dentro del límite máximo permisible, mientras
que, la dureza de calcio y alcalinidad mostraron valores superiores a los máximos recomendados
por lo que se deben tomar acciones correctivas en dichas características. Concluyendo en que no
se debe descuidar la atención que requiere el tratamiento tanto externo como interno en el
caldero, realizando constantes los respectivos mantenimientos sean, predictivos, preventivos y
correctivos.
PALABRAS CLAVE: agua; calidad; caracterización; generación.
ABSTRACT
1
Máster. Docente del Departamento de Procesos Químicos de la Facultad de Ciencias Matemáticas Físicas y
Químicas de la Universidad Técnica de Manabí. Ecuador.
2
Ingeniero Químico. Carrera de Ingeniería Química de la Facultad de Ciencias Matemáticas Físicas y Químicas de la
Universidad Técnica de Manabí. Ecuador. E-mail: ccordero1868@utm.edu.ec
3
Magister. Docente del Departamento de Procesos Químicos de la Facultad de Ciencias Matemáticas Físicas y
Químicas de la Universidad Técnica de Manabí. Ecuador. E-mail: carlos.moreira@utm.edu.ec
4
Doctor en Ciencias. Docente del Departamento de Procesos Químicos de la Facultad de Ciencias Matemáticas
Físicas y Químicas de la Universidad Técnica de Manabí. Ecuador. E-mail: ulbio.alcivar@utm.edu.ec
5
Doctor en Ciencias. Docente del Departamento de Ciencias Veterinarias de la Facultad de Ciencias Veterinarias de
la Universidad Técnica de Manabí. Ecuador. E-mail: mhdelgado@utm.edu.ec
6
Doctor en Ciencias. Docente del Departamento de Procesos Químicos de la Facultad de Ciencias Matemáticas
Físicas y Químicas de la Universidad Técnica de Manabí. Ecuador. E-mail: alfredo.cedeno@utm.edu.ec
Gabriel Burgos, César Cordera, Carlos Moreira, Ulbio Alcívar, Hipatia Delgado, Carlos Cedeño
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Revista Mikarimin. Publicación cuatrimestral. Vol. VII, Año 2021, No. 3 (septiembre-diciembre)
Evaluation of the quality of water for steam generation in a hospital of the province Manabí
ABSTRACT
This research consisted of an evaluation of the water quality for steam generation in the boiler of
a hospital in the province of Manabí, identifying operating conditions, steam consumption, and
the equipment involved; The physical and chemical characteristics of the feed water and
condensates were determined. For the fulfillment of the objectives, a field investigation was used
to obtain information and data from a primary source regarding the object of study; and an
experimental investigation for the characterization of the physical and chemical parameters of the
feedwater and condensates of the evaluated system. Regarding the physical and chemical
characteristics of the feed water for the generation of steam and condensates, it was determined
that the pH is below the range; Dissolved solids, conductivity and dissolved oxygen are within
the maximum permissible limit, while calcium and alkalinity hardness showed values higher than
the recommended maximums, so corrective actions should be taken on these characteristics.
Concluding that the care required by both external and internal treatment in the cauldron should
not be neglected, constantly carrying out the respective maintenance, whether predictive,
preventive and corrective.
KEYWORDS: water; quality; characterization; generation.
INTRODUCCIÓN
El vapor de agua es uno de los medios de transmisión de calor de mayor efectividad y su fácil
generación y manejo lo han situado como uno de los servicios auxiliares más difundidos en la
industria (Mancebo Boloy, Vega Camejo, Uribazo Díaz, Tamajón Reyes, & Mas Diego, 2006).
Los consumos elevados de combustible y sus altos costos, así como, la problemática de la
contaminación atmosférica, han llevado a buscar métodos que permitan el uso racional y eficiente
de la energía. Los intercambiadores de calor convencionales para recuperar la energía de
deshecho en calderas y hornos son extremadamente grandes y esto limita su aplicación en la
mayoría de los equipos industriales (Polupan, Jarquin, Carvajal, & Pysmenny, 2011).
El potencial energético y la diversidad de aplicaciones que tiene el vapor de agua han motivado
en las últimas décadas un incremento en la instalación de generadores de vapor. Sectores como el
hotelero, el hospitalario y en un mayor grado el industrial presenta una gran demanda de dicho
recurso para variadas aplicaciones como el calentamiento de agua, cocción de alimentos,
generación de electricidad, esterilización y otras. La eficiencia energética de un generador de
vapor puede ser evaluada por el método directo o el indirecto. El primero define la eficiencia de
la caldera como la relación entre la energía aprovechada en la transformación del agua en vapor y
la energía suministrada por el combustible y el indirecto considera las diferentes pérdidas que
ocurren en el generador (Jiménez Borges, Madrigal Monzón, Lapido Rodríguez, & Vidal Moya,
2016).
Existen diferentes métodos de control de la calidad de la combustión. Se diferencian en el tipo de
accionamiento de los elementos reguladores de la entrada de aire y de combustible y en la forma
de captura de la información sobre la composición de la mezcla. Uno de los métodos más
empleados es el de corrección de medida. La corrección se realiza al parámetro de medición
elegido (O2, CO2, CO). Pese a que el control mediante CO2 es más preciso, el costo de
importación de los sensores es elevado y no están disponibles comercialmente en el país. Por esta
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razón, el control mediante la medición de O2 es el más utilizado a nivel industrial en Ecuador
(Pérez Albán, 2016).
En el ámbito internacional, la Oficina Nacional de Inspectores de Calderas y Recipientes de
Presión de Estados Unidos reportó en el 2001 la ocurrencia de 296 accidentes en calderas de
vapor (que incluyeron 56 heridos y 7 muertos); asimismo, señala que en el periodo 1992-2001 se
presentaron 23.338 accidentes, que incluyeron 127 muertos y 720 heridos reportados en calderas
de vapor, calderas de calentamiento de agua y recipientes de presión no expuestos a fuego. El
83% de estos accidentes fue resultado directo de falla humana o falta de conocimiento (condición
de bajo nivel de agua, instalación o reparación inadecuada, error del operador o mal
mantenimiento). La falla humana o la falta de conocimiento fueron responsables del 69% de los
daños y del 60% de las muertes reportadas (Sepulveda M & Ramírez G, 2011).
Los sistemas de generación de vapor tienen como elemento principal la caldera de vapor que es
considerada como un sistema, pero, además, para su funcionamiento requieren de un sistema de
suministro de agua y otro de suministro de combustible que son sistemas auxiliares o de apoyo
para el trabajo de la caldera. Estos tres subsistemas cumplen funciones diferentes dentro del
sistema de generación de vapor, por lo que para la identificación de peligros y con vistas a
garantizar una sistematicidad en los análisis que evite omisiones importantes, estos sistemas se
han tratado de manera independiente (Troncoso Fleitas & Acosta Palmer, 2011).
Para obtener una buena calidad del vapor y asegurar una larga vida del generador de vapor éste
debe ser alimentado con agua tratada previamente (Valtec-Umisa, 2008) citado por (Chávez &
Jiménez Armelo, 2010). Tratar esta agua tiene un costo en divisas que no se incurriría si se
utilizara condensado vegetal pues los parámetros de dureza de este cumplen con los parámetros
necesarios, no siendo así el pH el cual es necesario elevar para evitar corrosión. El alcalinizante
más usado es el hidróxido de sodio (NaOH) que tiene como función mantener el pH ideal
(Chávez & Jiménez Armelo, 2010).
El objetivo de este trabajo de investigación consistió en determinar las características físicas y
químicas del agua de alimentación y del condensado para la generación de vapor en un hospital.
MATERIALES Y MÉTODOS
Un Hospital, es un centro de asistencia que brinda servicios médicos a toda la población de un
sector. El lugar cuenta con un sistema de generación de vapor, que alimenta diferentes
instalaciones y zonas que requieren este elemento para distintas operaciones, por consiguiente, la
caldera es un equipo crítico dentro de la institución ya que de la generación del vapor dependen
otras unidades para trabajar, como central de equipos, cocina y lavandería (Cordero Ajila, 2020).
Se utilizaron métodos experimentales tanto cualitativos como cuantitativos que contribuyeron a la
consecución de resultados permitiendo conocer las características físicas y químicas del agua
suministrada en el sistema de generación de vapor del área objeto de estudio.
Las técnicas que se emplearon han sido tomadas en base a referencias bibliográficas de artículos
científicos, para muestreo se basó en la NTE INEN ISO 5667-1 y NTE INEN ISO 5667-3, y los
métodos ASTM D510, y ASTM D860 para el análisis de parámetros físicos y químicos del agua
con el propósito de determinar si su calidad es apta para el sistema de generación de vapor o si
está contribuyendo al deterioro acelerado de sus equipos y líneas de conducción.
Gabriel Burgos, César Cordera, Carlos Moreira, Ulbio Alcívar, Hipatia Delgado, Carlos Cedeño
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El diseño experimental que se muestra a continuación, presenta una fase inicial de muestreo y
posterior caracterización de parámetros físicos y químicos del agua de suministro (basándose en
métodos ASTM D510 y ASTM D860 para medición de parámetros físicos y químicos empleado
en el sistema de generación de vapor del Hospital Solca Manabí, a continuación, se realiza una
comparación de rangos establecidos por el comité investigador de ASME (American Society of
Mechanical Engineers) y el BSI (British Standards Institution) basados en código de diseño,
construcción, inspección y pruebas para equipos, entre otros, calderas y recipientes sujetos a
presión para uso industrial. Por lo tanto, los parámetros recomendados permitirán identificar que
parámetros se encuentran fuera de límites permitidos y que podría causar problemas a futuro en
dicho sistema. Posteriormente, se estima el consumo de vapor de los equipos de las áreas del
lugar, y finalmente se diseña una guía de buenas prácticas ambientales para el manejo del agua
utilizada en la generación de vapor en la institución objeto de estudio.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El tratamiento del agua de una caldera de vapor es fundamental para evitar problemas como
corrosión, formación de incrustaciones y depósitos, y arrastre de condensado. Estos problemas
están relacionados con las impurezas y contaminantes contenidas en el agua, como gases
disueltos, sales y minerales (González et al., 2000; Mathur, 2011) citado por (Cardozo, Yamilet,
& Haydelba, 2011). Según (Prevez Pascual, González Rodríguez , Abreu Saiz, Guzmán Hidalgo,
& Moya González, 2011) para prolongar la vida útil de la caldera, y con ello minimizar el riesgo
de contraer posibles desperfectos, así como asegurar una circulación estable del agua y una
óptima calidad del vapor generado, se alimenta con agua tratada previamente, la cual tiene un
costo en el que no se incurriría si se utilizara condensado vegetal, pues los parámetros de calidad
son aceptables y adicionalmente se lograría una reducción de energía, tanto en el proceso de
desmineralización y bombeo, así como de combustible.
Mediante el análisis experimental efectuado en laboratorio se pudo determinar los parámetros
físicos y químicos de las muestras de agua tanto de alimentación como de condensados, dichos
resultados fueron comparados con rangos recomendados por el comité investigador de ASME
(American Society of Mechanical Engineers) y el BSI (British Standards Institution).
Tabla 1. Caracterización de parámetros físico – químicos del agua de alimentación y condensado (análisis
1)
Análisis 1
Parámetro
Alimentación
Condensado
Parámetros
recomendados
Interpretación
pH
7,4
8
8,5-9,5
Fuera del
rango (valores
inferiores)
Temperatura (ºC)
27,9
92,2
-
No
especificado
Solidos disueltos
totales (ppm)
140,9
73
<350
Dentro del
rango máximo
Conductividad (µs/cm)
293
233
<7000
Dentro del
rango máximo
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Dureza de calcio (ppm)
138
72
<2
Fuera del rango
(valores
superiores)
Alcalinidad (ppm)
93
41
<25
Fuera del rango
(valores
superiores)
Oxígeno disuelto (ml/l)
7,90
4,97
<8
Dentro del
rango máximo
Sulfatos (ppm)
25
1
No especificado
En la tabla 1 se observan los resultados obtenidos en el análisis 1 de cada parámetro evaluado
tanto para la alimentación como para los condensados, evidenciando un valor de 7.4 y 8
respectivamente al comparar dichos valores con los parámetros recomendados ubicado en un
rango de entre 8.5 y 9.5 se evidencia que están por debajo del límite inferior establecido; en el
caso de los sólidos disueltos totales mostraron un valor dentro del máximo permitido que es de
350 ppm puesto que reflejaron una cantidad de 140.9 ppm para el agua de alimentación y 73
ppm para los condensados; la conductividad se mostró dentro del límite máximo permitido en
ambas muestras; a diferencia de la dureza de calcio y alcalinidad que en ambas muestras se
reflejaros resultados por encima del límite máximo; el oxígeno disuelto si mostró un valor por
debajo del máximo recomendado, siendo un resultado positivo para evitar corrosión.
Tabla 2 Caracterización de parámetros físico – químicos del agua de alimentación y
condensado (análisis 2)
Análisis 2
Alimentación
Condensado
Parámetros
recomendados
Interpretación
7,4
8
8,5-9,5
Fuera del
rango (valores
inferiores)
27,6
92,5
-
No
especificado
143
69,5
<350
Dentro del
rango máximo
295
235
<7000
Dentro del
rango máximo
137,4
68
<2
Fuera del
rango (valores
superiores)
96
42
<25
Fuera del rango
(valores
superiores)
8,2
5,14
<8
Dentro del
rango máximo
en
condensado,
fuera de rango
Gabriel Burgos, César Cordera, Carlos Moreira, Ulbio Alcívar, Hipatia Delgado, Carlos Cedeño
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en alimentación
27
4
No específico
En la tabla 2 se observa la caracterización de los parámetros físicos y químicos evaluados en
el en el segundo análisis realizado, los resultados fueron similares a los de la tabla 19
mostrando un pH menor al mínimo recomendado; sólidos disueltos totales, conductividad y
oxígeno disuelto se encontraron dentro del máximo permitido; y la dureza de calcio y
alcalinidad con valores muy superiores a los máximos establecidos por la normativa utilizada
como referencia.
Tabla 3. Caracterización de parámetros físico – químicos del agua de alimentación y condensado (análisis 3)
Análisis 3
Parámetro
Alimentación
Condensado
Parámetros
recomendados
Interpretación
pH
7,6
8
8,5-9,5
Fuera del
rango
(valores
inferiores)
Temperatura (ºC)
27,4
93
-
No
especificado
Solidos disueltos totales
(ppm)
142,7
76,2
<350
Dentro del
rango
máximo
Conductividad (µs/cm)
290
237
<7000
Dentro del
rango
máximo
Dureza de calcio (ppm)
138
74
<2
Fuera del
rango
(valores
superiores)
Alcalinidad (ppm)
97
41
<25
Fuera del
rango
(valores
superiores)
Oxígeno disuelto (ml/l)
7,9
5,35
<8
Dentro del
rango
máximo
Sulfatos (ppm)
27
5
No
especificado
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Al igual que con la tabla 1 y 2, en la tabla 3 se pueden observar que ciertos parámetros no cumple
con los valores recomendados: en el caso del pH se encuentran por debajo del mínimo
recomendado ya que en estos casos se aconseja contar con agua de pH alcalino (8,5 – 9,5), los
valores obtenidos muestran que el agua de alimentación tiene pH de 7,6 y el condensado de 8; los
sólidos disueltos totales, la conductividad y el oxígeno disuelto sí presentan estimaciones dentro
de los máximos recomendados; y al igual que los resultados de los análisis 1 y 2, la dureza de
calcio y alcalinidad poseen valores fuera del rango en cantidades superiores.
En lo que respecta a dureza de calcio se obtuvo un valor de 138 ppm en agua alimentación y 74
ppm en condensados cuando el parámetro recomendado es <2 ppm; en lo que concierne a la
alcalinidad se obtuvieron valores como 97 ppm en agua de alimentación y 41 ppm en
condensados cuando el máximo es <25 ppm.
Tabla 4. Caracterización de parámetros físico – químicos del agua de alimentación y condensado (análisis 4)
Análisis 4
Parámetro
Alimentación
Condensado
Parámetros
recomendados
Interpretación
pH
7,4
8
8,5-9,5
Fuera del rango
(valores inferiores)
Temperatura (ºC)
26,5
93
-
No especificado
Solidos disueltos
totales (ppm)
138,3
68,6
<350
Dentro del rango
máximo
Conductividad
(µs/cm)
289
231
<7000
Dentro del rango
máximo
Dureza de calcio
(ppm)
137
67
<2
Fuera del rango
(valores
superiores)
Alcalinidad (ppm)
99
43
<25
Fuera del rango
(valores
superiores)
Oxígeno disuelto
(ml/l)
8,1
5,1
<8
Dentro del rango
máximo en
condensado, fuera
de rango en
alimentación
Sulfatos (ppm)
26
2
No especificado
En la tabla 4 se pueden apreciar los resultados del cuarto análisis efectuado para el agua de
alimentación y para el agua de condensados, la tendencia se repite en relación a los datos
obtenidos mostrados en las tablas anteriores, donde se identifica un pH menor al rango sugerido;
sólidos disueltos totales, conductividad y oxígeno disuelto cumpliendo con los parámetros
recomendados; la dureza de calcio y alcalinidad muy superiores a los máximos permitidos,
pudiendo afectar al funcionamiento óptimo del sistema de generación de vapor.
Una vez realizada la caracterización del agua de alimentación para caldero y de los condensados
del sistema de generación de vapor del hospital objeto de estudio, se pudo identificar los
siguientes resultados relevantes:
Gabriel Burgos, César Cordera, Carlos Moreira, Ulbio Alcívar, Hipatia Delgado, Carlos Cedeño
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El pH en el agua de alimentación posee un rango de entre 7.4 y 7.6, mientras que en condensados
el pH arrojó un valor de 8 en los 4 análisis realizados. De acuerdo con los rangos establecidos por
el comité investigador de ASME (American Society of Mechanical Engineers) y el BSI (British
Standards Institution) el pH para agua de alimentación en un sistema de generación de vapor debe
ser alcalino, entre 8.5 y 9.5 ya que es necesario tener un control estricto en este parámetro y evitar
un pH ácido que podría causar corrosión.
En la caracterización realizada se determinó una dureza de calcio de 138 a 143 ppm en agua de
alimentación y en un rango de 67 a 74 ppm en los condensados cuando lo recomendado en el
sistema es de <2 ppm, en el caso de la alcalinidad, los valores en la muestra de agua de
alimentación revelaron un rango de entre 93 a 99 ppm, y en condensados de entre 41 y 43 ppm
cuando se recomienda un valor < 25 ppm. En el caso de una dureza de calcio y alcalinidad
superior a la recomendada podría traer consigo problemas de incrustaciones en las diferentes
secciones del sistema. Los especialistas han llegado a la conclusión de que un pH superior a 8.5 y
no mayor a 10 es adecuado para este tipo de sistemas y equipos. Es necesario que se busquen
soluciones para minorizar dichos valores y prevenir incrustaciones en el sistema.
En cuanto a la caracterización del oxígeno disuelto, este fue determinado en un rango de 7.9 – 8.2
ml/l para el agua de alimentación y en un rango 4.97 - 5.35 ml/l para condensados, el rango
recomendado se ubica en un valor <8 ml/l por lo que en el caso de agua de alimentación este se
encuentra en el límite superior y en algunos casos se excede al valor máximo permisible. La
presencia de oxígeno disuelto produce la corrosión del metal de la caldera por dos vías:
La presencia de oxígeno libre en el agua de caldera produce un ataque de picado sobre el metal de
la caldera, también se une con el metal de la caldera de modo general para producir óxido de
hierro. EI oxigeno libre puede producirse a medida que la temperatura de caldera aumenta y el
oxígeno es forzado a salir de la solución, después, se agrega en forma de burbuja de gas que
asciende a la superficie calefactora de la caldera para comenzar la reacción química con el hierro.
La solubilidad del oxígeno en el agua varia con la temperatura de la solución de agua; se asume
generalmente que el oxígeno sale de la solución a una temperatura normalmente por encima de
los 750 ºF (398 °C).
El segundo tipo de ataque por oxígeno es como catalizador, donde no se une al metal
directamente, sino que ayuda a otros elementos corrosivos del agua de caldera a reaccionar con el
metal se acelera la reacción. Todo oxígeno libre en el agua de caldera tiende a unirse con el
hidrogeno, que generalmente se deposita sobre las superficies metálicas. La corrosión de tipo
oxigeno se evita: (1) externamente mediante el uso de des aireadores y (2) químicamente
mediante la utilizaci6n de productos químicos que se apoderan del oxígeno.
En el caso de la conductividad, se muestra en los resultados un rango de 289 a 295 µs/cm en el
agua de alimentación, y un rango de 231 a 237 µs/cm para el agua de condensados, para este
parámetro se recomienda un rango menor a <7000 µs/cm, por lo tanto, las muestras analizadas
revelan que en este parámetro se cumple con el límite máximo recomendado. La conductividad
del agua permite controlar la cantidad de sales (iones) disueltas en el agua El control y
monitorizaci6n de dureza, conductividad y contaminantes específicos permiten una máxima
reutilización del condensado.
Los sólidos disueltos totales TDS se determinaron en un rango de 137.4 a 142.7 ppm en el agua
de alimentación y en condensados en un rango de 109.4 a 113.8 ppm. En general, la
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concentración máxima tolerable de TDS no debe ser superior a 3.500 ppm, por lo tanto, el
agua caracterizada cumple con los límites máximo-permisibles para este parámetro. Los sólidos
se depositan en el fondo de la caldera, formando un depósito fangoso que facilita el
sobrecalentamiento de las planchas inferiores. Estos sobrecalentamientos provocan
deformaciones que pueden ser altamente peligrosas.
CONCLUSIONES
La caracterización de parámetros físicos y químicos permitieron determinar que el pH en agua de
alimentación y condensados se encuentran por debajo del rango considerado como
recomendables por el comité investigador de ASME (American Society of Mechanical
Engineers) y norma británica para calderas BS 2486; sólidos disueltos, conductividad y oxígeno
disuelto se encuentran dentro del límite máximo permisible, mientras que, la dureza de calcio y
alcalinidad mostraron valores superiores a los máximos recomendados por lo que se deben tomar
acciones correctivas en dichas características, con el fin de evitar deterioros en el equipo, tales
como incrustaciones que afectaran tanto la eficiencia del equipo, como la generación de vapor en
el mismo.
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