El Vapor y Los Intercambiadores de Calor de Placas Gp-gcm-12

5/28/2018 El Vapor y Los Intercambiadores de Calor de Placas Gp-gcm-12

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Steam and Plate Heat Exchangers

Una gua tcnica

para el uso efectivo

del vapor en los

intercambiadores

de calor de placas

Una colaboracin

entre

Spirax Sarco

yAlfa Laval

E l V a p o r y lo s I n t e r c a m b ia d o r e s

d e C a lo r d e P la c a s

INICIO


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IntroduccinConjuntamente Spirax Sarco y Alfa Laval son reconocidos expertos y

lderes mundiales en el control del vapor y el intercambio de calor.

Nuestros clientes depositan su confianza en nuestros conocimientos tcnicos

y nuestros productos de alta calidad en industrias de todo el mundo.

Cuando el vapor es el medio primario en una aplicacin de intercambiador

de calor por placas, hemos acordado cooperar, utilizando la unin de nuestras fuerzaspara ofrecer un control completo, soluciones de intercambio de calor y

eliminacin de condensado.

Este manual de referencia ha sido escrito conjuntamente por Spirax Sarco y Alfa

Laval para demostrar a nuestros clientes como esta cooperacin les puede ayudar a encon-

trar todas las soluciones a sus necesidades en cuestin de vapor e intercambiadores.


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El Vapor y los Intercam biado res de Calor de Placas

Indice

1. Fundamentos del vapor- Q u es el vapor? 7

- Por qu se usa elvapor? 7- La formacin del vapor 7

- Terminologa y unidades 8

- C alidad del vapor 9

- Tablas de vapor 11

- Diagrama de M ollier 11

2. El caudal de vapor

- Tipos de calentamiento 15- C onsumo de vapor 15- Ejemplos 18

3. Diseo del sistema

- Elementos del sistema de vapor 19

- G eneracin de vapor 19

- Dimensionado de las tuberas de vapor 20

- Purga de las lneas de vapor 24

- Eliminacin del aire 27

- R educcin de presin 28

- R evaporizado 30- Sistema de retorno de condensados 32

4. Control de temperatura en intercambiadores de calor de placas

- Diseo del intercambiador de calor 41

- C ondicin de interrupcin 42

- M todos de control de temperatura 48

- C ontrol automtico de temperatura 51

5. Intercambiadores de calor de placas

- G eneral 59

- Intercambiadores de calor de placas con juntas 60

- Intercambiadores de calor termosoldados 62

- Intercambiadores de calor enteramente soldados (lser) 63

- C ompabloc - El intercambiador de calor enteramente soldado y accesible 64- C omparaci n entre el PHE y el intercambiador de carcasa y tubos 65- Utilizacin de vapor como medio caliente en intercambiadores de calor de placas 68

- C lculos de diseo de intercambiadores de calor de placas 71

Apndices

- Ap ndice I. Tablas del vapor 73

-Ap ndice II. D imensionado de la lnea de condensado 77- Ap ndice III . D iagrama de interrupci n 79


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Fig. 1 Vapor saturado - temperatura / presin 8Fig. 2 Vapor saturado volumen especfico / presin 9

Fig. 3 Diagrama de M ollier 10

Fig. 4 Ejemplo del diagrama de M ollier 12

Fig. 5 Diagrama de M ollier simplificado 13

Fig. 6 Intercambio de calor 17

Fig. 7 C onjunto caldera 19

Fig. 8 Sistema de vapor y condensado 20 -21

Fig. 9 Prdida de carga en tuberas de vapor 23Fig. 10 Prdida de calor en un conducto de vapor 24

Fig. 11 La causa del golpe de ariete 24

Fig. 12 Puntos de purga de una lnea de vapor 25

Fig. 13 T ipos de purgador 26

Fig. 14 C onjunto de purga 27

Fig. 15 Eliminador de aire de una lnea de vapor 27

Fig. 16 Vlvulas reductoras de presin de vapor 28

Fig. 17 Estacin reductora de presin de vapor con vlvula pilotada 29

Fig. 18 Separador de vapor 30

Fig. 19 Vlvulas reductoras de presin montadas en paralelo 30

Fig. 20 Vlvulas reductoras de presin montadas en serie 31

Fig. 21 R evaporizado por kg de condensado 31

Fig. 22 Tanque de revaporizado 32

Fig. 23 Sistemas de condensados 33

Fig. 24 Dimensionado de la tubera de condensado 34

Fig. 25 Dimensionado de tuberas de condensado mltiples 35

Fig. 26 Bombeo a larga distancia 36Fig. 27 Unidad elctrica de bombeo de condensados 37

Fig. 28 Funcionamiento de la bomba automtica 38

Fig. 29 Unidad de bomba automtica monobloque 38

Fig. 30 Funcionamiento de la bomba purgadora automtica 39-40Fig. 31 Diagrama de interrupcin 45

Uso del grfico de interrupcin para establecer el caudal en el punto de interrupcin 46Fig. 33 Uso del grfico de interrupcin para establecer la temperatura de

entrada del secundario en el punto de interrupcin 47Fig. 34 C ontrol del vapor en el primario con vlvula de dos vas + purgador 48Fig. 35 C ontrol del vapor del primario con vlvula de dos vas + purga activa 49Fig. 36 Control secundario con vlvula de tres vas 50

C ontrol de condensado 51Fig. 38 Elementos de un sistema automtico simple de regulacin de temperatura de lazo 52Fig. 39 C urva de caudal caracterstica

Caracterstica del obturador 53Fig. 41 Caractersticas tpicas con vlvulas dimensionadas para pequeas cadas de presin 54Fig. 42 Vlvula con actuador y posicionador neumtico

C ontrol proporcional 55Fig. 44 C ontrolador P ID 56Fig. 45 Inestabilidad causada por el incremento de ganancia del controlador sin accin I o D 56Fig. 46 Limites de funcionamiento delos intercambiadores de calor con placas 59Fig. 47 Principio de flujo en un intercambiador de calor de placas 59Fig. 48 El intercambiador de calor de placas con juntas 60Fig. 49 Junta clip-on (de mordazas) 60Fig. 50 Junta plegada 60

I l u s t r a c i o n e s

I lu s t r a c io n e s , F r m u la s y Ta b la s

Fig. 32

Fig. 37

53Fig. 40

54

Fig. 43

Fig. 51 Placa canal con corrugacin en forma de raspa de pescado 61Fig. 52 El P HE con juntas es muy resistente a la fatiga debido la elasticidad del paquete de placas 61


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Fig. 59 Principio de flujo en un intercambiador de calor C ompabloc 64C omparaci n de tama os entre intercambiador de calor de tubos, P HE con juntas.. . 65

Fig. 61 En un PHE es posible una aproximaci n muy certera a la temperatura 65Fig. 62 C omparaci n entre un intercambiador de placas y uno de carcasa y tubos 66Fig. 63 La turbolencia del producto retrasa el ensuciamiento 66

Fluctuaciones tpicas de temperatura debido a cambios de carga para PHT y S& T 67Fig. 65 Area peque a de contacto entre el vapor y el condensado 67

Area grande de contacto entre vapor y condensado 67

Fig. 67 C orrelaci n entre temperatura y acomulacin de incrustaciones 68Fig. 68 P laca sin y con incrustaciones 68Fig. 69 C ondensaci n a 150C /120C 69Fig. 70 Disposici n en by-pass en el secundario 69Fig. 71 Entrada de vapor 69Fig. 72 V lvula reductora 70

C ondensaci n en la parte superior de la placa y subenfriamiento del condensado 70Fig. 74 Datos del diseo trmico 71Fig. 75 C onfiguracin mecnica 71

Frmula 1 C lculo de la entalpa especfica 9Frmula 2a C alor necesario para conseguir un incremento de temperatura 15Frmula 2b Caudal de vapor necesario para conseguir un incremento de temperatura 16Frmula 3a C alor necesario para compensar las prdidas de calor 16Frmula 3b C audal de vapor necesario para compensar las prdidas de calor 17Frmula 4 C lculo del caudal de vapor en un intercambiador desde el caudal secundario 17Frmula 5 C lculo del caudal de vapor en un intercambiador desde los requerimientos de

potencia en K W 18Frmula 6 C lculo del caudal de vapor en un intercambiador desde los requerimientos

de potencia en M W 18Frmula 7 C lculo de la cantidad de revaporizado 32Frmula 8 D imensionado de la tubera comn para condensado no bombeado 35Frmula 9 C lculo de superficie de intercambio de calor 41

Frmula 10 C lculo de la diferencia de temperaturas media aritmtica 41Frmula 11 Clculo simplificado de la diferencia de temperatura media aritmtica 41Frmula 12 C lculo de la potencia calorfica(plena carga) 42Frmula 13 C lculo de la temperatura media aritmtica real requerida 43Frmula 14 C lculo de la temperatura real en el primario 43Frmula 15 Clculo de la fraccin de interrupcin para condicin de flujo variable 44Frmula 16 C lculo de la fraccin de interrupcin para condicin de T variable 44

Tabla 1 Densidad relativa y calor especfico de varios lquidos 16Tabla 2 C oeficiente global de transmisin de calor entre el vapor y varios lquidos 17

Tabla 3 C apacidades de vapor de las tuberas a velocidades especficas 22Tabla 4 C audal de condensado en calentamiento y en marcha normal para lneas de vapor 26Tabla 5 C lculo Z iegler-N ichols 57Tabla 6 Impacto del cambio de ajustes PID 57

T a b l a s

F r m u l a s

Fig. 58 Intercambiador de calor C ompabloc 64

Fig. 57 Paquete de placas semisoldadas 63

Fig. 64

Fig. 66

Fig. 60

Fig. 56 El intercambiador de calor de placas enteramente soldado, el AlfaR ex 63Fig. 55 Paquete de placas con soldaduralser 63

Fig. 73

Fig. 54 Secci n transversal de la disposicin de placas de un PH E 62Fig. 53 Principio de flujo en un intercambiador de calor de placas termosoldado 62


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1. F U N D AM E N T O S D E L VAP O R

Q U E E S E L VA P O R ?

El agua puede existir en estado slido, cuandola llamamos hielo; como lquido, es cuando lallamamos agua, o gas, cuando la llamamosvapor. Este manual de referencia se concentraren los estados lquido y gaseoso.

Si se aade energa calorfica al agua, sutemperatura se eleva hasta un punto a partir delcual ya no puede subsistir como lquido. Este esel denominado punto de saturacin, y cualquiernueva aportacin de energa provocar la ebulli-cin de una parte del agua convirtindose vapor.Esta evaporacin requiere de gran cantidad deenerga, y mientras se le est aadiendo, el aguay el vapor formado permanecen a la mismatemperatura.

Si conseguimos que el vapor libere la energaque se le haba aadido originalmente cuando seform, condensar formndose agua a la mismatemperatura.

Un intercambiador de calor es donde dispone-mos que se produzca esta liberacin de energa.

P O R Q U U S A R VAP O R ?

El vapor ha sido utilizado para el transporte decalor desde la R evolucin Industrial, y siguesiendo una herramienta moderna, flexible yverstil all donde se necesite calor.

Se produce por la evaporacin del agua;

una materia prima relativamenteeconmica y abundante, que esrespetuosa con el medio ambiente.

Se puede ajustar su temperatura con granprecisin mediante el control de la presin.

Transporta gran cantidad de energa enuna masa pequea.

L A F O R M A C I N D E L VA P O R

Utilicemos como punto de referencia el conte-nido de energa calorfica, o entalpa, de 1 kg deagua a presin atmosfrica, y a la temperaturade fusin del hielo, 0C.

Si tomamos esto como cero, y aadimos calora este kg de agua, su temperatura empezar aelevarse. A presin atmosfrica, el agua nopuede existir como lquido por encima de los100C , por lo tanto, cualquier aportacin de caloradicional despus de alcanzar esta temperaturaprovocar que parte del agua pase a vapor.

La cantidad total de energa calorfica o entalpacontenida por cada kilogramo de agua lquida asu temperatura de ebullicin se denominaentalpa especfica del agua saturada, y sesimboliza por h

f. A veces se le denomina calor

sensible.

La energa calorfica extra que se requiere paraconvertir cada kilogramo de agua lquida envapor, se denomina entalpa especfica deevaporacin y se simboliza por h

fg. A veces se le

denomina calor latente.La energa calorfica o entalpa total en cada

kilogramo de vapor es la suma de los dos trmi-nos anteriores y se denomina entalpa especficadel vapor o calor total. Se simboliza porh

g= h

f+ h

fg.

C uando se ha entregado toda la entalpaespecfica del vapor al kilogramo de agua, toda elagua existir entonces como vapor a la presinatmosfrica.

El volumen de este vapor ser superior al

volumen del agua en un factor de 1.600 veces ala presin atmosfrica.

Las molculas de agua en la condicin delquido estn unidas mucho ms cercanas quelas molculas de vapor. El proceso de evapora-cin puede entenderse como un proceso en elque se debe entregar la suficiente energa a acada molcula para que rompa los enlaces quela unen a sus vecinas. Las molculas entoncesabandonan el lquido y se mueven libremente enla fase gaseosa.


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Si la presin en el lquido aumenta, las molcu-las encuentran mas dificultades para abandonar-lo. Ser necesaria mas energa para que lasmolculas rompan sus enlaces y entren a la fasegaseosa. Por tanto, la temperatura tendr que

superar los 100C antes de que ocurra la ebulli-cin. P ara cada presin dada, hay una tempera-tura correspondiente, por encima de la cual elagua no puede existir como lquido.

Del mismo modo, si la presin sobre el agua esinferior a la presin atmosfrica, es ms fcil paralas molculas romper sus enlaces. Se requerirnniveles de energa inferiores, y la ebullicin suce-der a temperatura inferior a los 100C.

Esta relacin entre presin y temperatura esconstante para el vapor saturado, y se muestra

en la Fig.1y en las Tab las de vapor en el Apn-dice 1.

20 4 6 8 10 12 14 16 18 20

250

200

150

100

50

0

Fig . 1 Va p o r s a tu ra d o - t e m p e r a t u r a / p r e c i n

Temperaturadelvap

or

C

Presin del vapor bar r

T ER M IN O L O G A Y U N ID A D E S

Entalpa

Este es el trmino que se da a la energa total,debida a la presin y la temperatura, de un fluidoo vapor (como el agua o el vapor de agua) enuna condicin y tiempo dados.

La unidad bsica de medida es el joule (J).C omo un joule representa una cantidad muy

pequea de energa, usualmente se multiplicapor mil, y se habla de kilojoules (K J).

Enta lpa espec f ica

Es la entalpa (energa total) de una unidad demasa (usualmente 1 kg). Por tanto, la unidad

usual de medida es KJ / kg.

Ca lor e spe c f ico

Es una medida de la capacidad de una sustan-cia para absorber calor. Es la cantidad de energa(joules) que se requieren para elevar 1C unamasa de 1 kg. Por tanto, el calor especfico seexpresa en KJ / kg C.

El calor especfico del agua es aproximada-mente 4,19 KJ / kg C . Esto significa que unincremento en la entalpa de 4,19 K J elevar 1C

la temperatura de 1 kg de agua.

Entropa

La entropa es una medida del orden molecular.Un cambio en la entropa corresponde a uncambio en el orden molecular, u organizacin deun sistema. Si la entropa aumenta, las molculasse mueven con mas libertad, por ejemplo, laentropa aumenta cuando un slido se fundepara pasar a lquido, o cuando un lquido seevapora para pasar a gas.

A veces la entropa hace referencia al nivel dedesorden de un sistema; alto desorden = altaentropa, y bajo desorden = baja entropa. Lasmolculas confinadas en una gota de aguamuestran estar en un mayor grado de ordena-miento que si estuvieran dispersas en forma devapor.

El Segundo P rincipio de la Termodinmicaestablece que La entropa del universo nuncadisminuye y aumenta siempre que es posible. Acausa de esta tendencia a aumentar:

El calor fluye de un objeto caliente a unobjeto fro.

El gas fluye de una fuente de alta presin aun rea de baja presin.

Pre s in a bso lu ta y pres in m a n o m t r i c a

El estado terico sin presin de un vaco

perfecto es el cero absoluto. La presin abso-luta es por tanto una presin por encima del


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cero absoluto. La presin que ejerce la atmsferaes de 1,013 bar al nivel del mar.

La presin manomtrica, como se muestra enun manmetro estndar, es la presin sobre la

presin atmosfrica. Por tanto una presinmanomtrica de 0 bar (bar r) es el equivalente a1,013 bar absoluta (bar a). A veces se hacereferencia a bar r simplemente como bar.

O tras unidades utilizadas con frecuencia sonlos kilopascales (kPa), 1 bar = 100 kPa, y elmilibar (mbar), 1 bar = 1.000 mbar.

Ca lor y t rans fe re nc ia de c a lor

El calor es una forma de energa, y como tal, esparte de la entalpa de un lquido o de un gas.

La transferencia de calor es el flujo de entalpade materia a alta temperatura a materia a unatemperatura inferior.

D e n s id a d d e l a g u a s a t u ra d a

La densidad del agua cambia poco con lasvariaciones de temperatura. A 100C el aguasaturada tiene una densidad especfica de 0,958kg/litro. El agua caliente es ligeramente menosdensa que el agua fra.

Una columna de agua de 10,65 m ejercer unapresin de 1 bar r en su base.

Volum en e spe c f ico

Si una masa de 1 kg de agua (1 litro o 0,001m3de volumen a 20C ) se convierte en su totali-dad en vapor, el resultado ser exactamente 1 kgde masa de vapor.

Sin embargo, el volumen ocupado por elvapor ser mucho mayor. A presin atmosfrica1 kg de vapor ocupa cerca de 1,673 m3. C uando

la presin del vapor se incrementa, su volumenespecfico (Vg) decrece. A 10 bar r el volumen

especfico del vapor es de solo 0,177 m3. Estarelacin se ilustra en la Fig.2.

Fig . 2 Va p or s a tu ra d o vo lum e n esp ec f ico / p re s in

Presin del vapor bar r

20 4 6 8 10 12 14 16 18 20

1.8

1.6

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

Volumenespecficom

3/kg

C A L ID A D D E L VA P O R

Va p o r s e c o y va p o r h m e d o

Las tablas de vapor muestran las propiedadesdel vapor saturado seco. Se trata de agua que

ha sido completamente evaporada y convertidaen vapor, sin que contenga gotas de agua lquida

En la prctica, el vapor suele llevar pequeasgotitas de agua, y no es totalmente vapor satura-do seco.

La calidad del vapor se define por suporcentaje de vapor seco la proporcin devapor completamente seco presente en la mues-tra bajo consideracin. Si se dice que el porcen-taje de vapor seco es 0,95, el 95% de su masa

ser vapor saturado seco, y el 5% ser agua.Las gotitas de agua no llevan entalpa especficade evaporacin.

La entalpa especfica del vapor a 7 bar r conun porcentaje de vapor seco de 0,95 puedecalcularse como se muestra en la Formula 1.

Frmula 1. Clculo entalpa absoluta

C ada kilogramo de vapor hmedo contendrla entalpa completa del agua saturada, 721,4 K J/ kg, pero como solo hay presente 0,95 kg devapor seco con 0,05 kg de agua, solamente

habr un 95% de la entalpa de evaporacin,2.047,7 K J / kg.

h h hg f fg= + ( )0 95,

h 2.667 kJ/kgg =

hg = + ( )7214 0 95 2 047 7, , . ,


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10

Esta cifra representa una reduccin de 102,4K J / kg de la entalpa especfica del vapor a 7 barr, 2.769,1 K J / kg, que se muestra en las tablasde vapor del Apndice 1.El vapor hmedotieneun contenido de calor sustancialmente inferior

que el vapor saturado seco a la misma presin.

Las gotitas de agua contenidas en el vaportienen peso, pero ocupan un espacio insignifi-cantey por tanto, su efecto sobre el volumenglobal es pequeo.

El vapor saturado seco es un gas incoloro.Son las gotitas de agua suspendidas en el vaporlas que le dan su apariencia blanca nubosa.

Va p o r r e c a le n t a d o

Si se sigue aportando calor despus de haber-se evaporado todo el agua, la temperatura delvapor volvera elevarse. Al vapor se le llamaentonces recalentado , y este vapor recalentadopuede encontrarse a cualquier temperatura porencima de la del vapor saturado a la presincorrespondiente.

El vapor saturado condensarfcilmente sobrecualquier superficie que se encuentre a unatemperatura inferior, liberando inmediatamente suentalpa de evaporacin.

C uando el vapor recalentado libera parte de suentalpa, lo hace inicialmente en virtud de unabajada de la temperatura. N o se darla conden-

Fig . 3 D ia g ra m a d e M o llie r

Entropa especfica, s kJ/k g K

Entalpaespecfica,hkJ/kg

Vaporrecalentado

Vaporhmedo

pcon

stante

,t co

nstan

te

pcon

stan

te

t constant e

LneadesaturacinFraccinsecax


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D I AG R A M A D E M O L L IE R

Un diagrama de M ollier de vapor es otra mane-ra de registrar las propiedades delvapor y con-densado bajo varias condiciones. ste muestralas propiedades delvapor y condensado bajocualquier condicin especfica o estado. Si lospuntos de estado inicial y final de un proceso sonconocidos, una lnea que una estos puntos deestado puede representar esa parte del proceso.

Un diagrama de M ollier de vapor contendrlassiguientes caractersticas:

Los valores de Entalpa especfica (h) yEntropa especfica (s), trazados en los ejesdel diagrama.

Una lnea de saturacin de vapor divide elgrfico en la regin de vapor recalentado y

l a regin del vapor hmedo. La lnea representa el vapor saturado seco.

El porcentaje de vapor seco (x) en la zonahmeda del diagrama.

TA B L A S D E VA P O R

C omo acabamos de explicar existe una rela-cin entre la presin del vapor y la temperatura

de saturacin: las entalpas del agua saturada,evaporacin y vapor saturado varan con lapresin y el volumen especfico cambia con lapresin.

Para el vapor saturado estas relaciones estnfijadas y registradas en las Tablas de vaporcomo las expuestas en el Apndice 1.

Lneas de presin constante (p), tantoen la zona seca como hmeda deldiagrama.

Lnea de temperatura constante (t) en la

regin de recalentado. En la zona hmeda,las lneas de presin y de temperatura sonparalelas.

E je m p lo d e d ia g r a m a d e M o llie r

El uso de un diagrama de M ollier de vaporpuede explicarse mediante un ejemplo de cmolos varios estados de vapor y condensadopueden determinarse cuando se usa en unintercambiador de calor. C on el fin de clarificarlo,solo se han incluido las lneas necesarias para elejemplo. Fig.4.

Se dispone de vapor en el sistema dedistribucin a 15 bar abs y 90% seco.

- Punto A

Pasa a travs de un separador queelimina la humedad arrastrada. El vaporestahora a 15 bar abs y 100% seco.

- Punto B

Ahora se reduce la presin del vapor de 15bar abs a 4 bar abs mediante una vlvulareductora de presin. A hora se encuentraa 4 bar abs, recalentado a 167C. Laentalpa especfica permanece constante a2.790 K J / kg

- Punto C

sacin hasta que la temperatura no baje hasta latemperatura de saturacin, y la velocidad a laque la energa fluye desde el vapor recalentadoes con frecuencia menor que la alcanzada convapor saturado, aunque su temperatura sea ms

alta.

El vapor recalentado, debido a sus propieda-des, es usualmente la primera opcin para losrequisitos de generacin de energa, mientrasque el vapor saturado es ideal para aplicacionesde calentamiento.


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2673

505

Fig . 4 E jem p lo de d iag ram a M o l lie r

Luego pasa a travs de una vlvula decontrol de temperatura con una cada depresin del 50% . El vapor entra alintercambiador de calor a 2 bar abs,recalentado a 160C . La entalpa se mantiene constante en 2.790 K J/kg

- Punto D

Antes de que el vapor pueda condensar yliberar su entalpa especfica de evaporacin, ste, debe enfriarse hasta alcanzar su

temperatura de saturacin a 120C .

- Punto E

Diagra m a de M ollie r s im plif ica do

No es viable reproducir, en una publicacin deeste tipo, un diagrama de M ollier completo porsu gran tamao y complejidad. Hay copiasimpresas y en formato electrnico disponibles deeditoriales tcnicas.

Hay una reproduccin de un diagrama deM ollier simplificado en la Fig.5que muestrasuficientes detalles para situar los puntos de

estado alrededor de la lnea de vapor saturado,en el rango de presin utilizado por losintercambiadores de calor de placas.

Entalpaespecfica,hkJ/kg

15

bar

a

4b

ar

a

2b

ar

a

120C

144C

198C

x=0,99

x=0,97x=0,94

15bar

a,19

8C

4bara

,144C

2bara,

120C

Vaporrecalentado

Lneadesaturacin

C

B

Entropa especfica, s kJ/k g K

A

D E

Vaporhmedo


13/80

13

6.0 6.2 6.4

2200

2300

2400

2500

2600

2700

2900

3000

13


Fig . 5 D ia g ra m a d e M o llie r s im p lif ic a do

Entalpaespec

fica,hkJ/kg

Entropa especfica, s kJ/kg K

6,0

6,2 6,4

2200

2300

2400

2500

2600

2700

2900

3000

x=0,80

x=0,82

x=0,84

x=0,98

x=0,96

x=0,94

x=0,92

x=0,90

x=0,88

x=0,86

Lneadesaturacin

2800

6,6 6,8 7,0 7,2 7,4 7,6 7,8 8,0


14/80

14


15/80

15


2 . E L C AU D AL D E VAP O R

T IP O S D E C A LE N T AM IE N T O

Antes de que sea posible el correctodimensionado de una vlvula de control devapor, sistema de distribucin, o incluso unacaldera, es necesario saber con la mximaprecisin posible la cantidad de vapor requerida.

P rcticamente todos los caudalesde calenta-miento pueden clasificarse en dos categoras:

Aumento de temperatura calentamientode un material desde una temperaturainferior a una temperatura superior.

M antenimiento de temperatura compensacin de las prdidas de calor para mantener una temperatura fijada.

Normalmente, en la aplicacin de unintercambiador de calor es el caso primero, conun producto que entra en el lado secundario delintercambiador a una temperatura dada y lo

abandona a una temperatura superior.

C O N S U M O D E VAP O R

El consumo de vapor puede obtenerse de unode estos tres modos:.

M edicin

Informacin del fabricante

C lculo

M e d ic i n

O bviamente, el flujo de vapor no se puedemedir en la etapa de diseo de una instalacin.La medicin del flujo de vapor slo puede usarsepara establecer caudal de vapor de una instala-cin existente.

Se dispone de dos mtodos de medicin; lamedicin del flujo de vapor dentro del proceso, ola medicin del condensado resultante del proce-so.

In form ac in d e l fab r ica nte

Algunas unidades de materiales manufactura-dos se sirven con informacin sobre sus presta-ciones trmicas.

Estos valores se basarn normalmente enelevar un incremento de temperatura dado, una

cantidad indicada de aire o agua, utilizandovapor a una presin especfica.

No debe nunca asumirse que los datos delfabricante equivalen al caudal real. Unintercambiador de calor puede estar capacitadopara un determinado servicio, pero el caudal realconectado puede ser solamenteuna fraccin deste, u ocasionalmente puede exceder el valorde diseo.

Clculo

La cantidad de calor que se requiere paraproducir un incremento de temperatura vienedado por la Frmula 2a.

Dnde:

Q = Ca lor, kJ

M = m a sa d e l m a te ria l a c a le nta r, kg

Cp = calor especf ico del material, kJ /kgC

t = Inc re me nto d e t em pe ra t ura , C

Frmula 2a Calor necesario para conseguir un incremento de temperatura

Q M C p t=

El calor especfico de un material es la cantidadde calor que se requiere para elevar 1C unaunidad de masa (1 kg). En la Tabla 1se exponenlos calores especficos y los pesos especficos devarios lquidos.


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16

Ta b la 1. D e ns id a d r e la t iv a y p e s o es pe c fico de v ar ios lqu ido s

Aceite de cidra 1,84Aceite de oliva 0,91-0,94 1,96Aceite de ricino 1,79Aceite de ssamo 1,63Aceite de soja 1,96Acetona 0,79 2,13Agua 1,00 4,19Agua de mar 1,02 3,93Alcohol etlico 0C 0,79 2,30Alcohol etlico 40C 0,79 2,72

Alcohol metlico, 15-21C 0,80 2,51Alcohol metlico, 4-10C 0,80 2,46Amonaco, 0C 0,62 4,60Amonaco, 40C 4,85Amonaco, 80C 5,39Amonaco, 100C 6,19Amonaco, 114C 6,73Anilina 1,02 2,17Benzol 1,75Cloruro clcico 1,20 3,05Cloruro de sodio 1,19 3,30Difenilamina 1,16 1,92

ter etlico 2,21Etilenglicol 2,21Fuel oil 0,96 1,67Fuel oil 0,91 1,84Fuel oil 0,86 2,09Gasolina 2,21Glicerina 1,26 2,42Hidrato sdico 1,27 3,93Keroseno 2,00Leja de potasa 1,24 3,68Mercurio 19,60 1,38Naftalina 1,14 1,71Nitrobenceno 1,50Petrleo 2,13

Toluol 0,87 1,50Trementina 0,87 1,71Xileno 0,87 - 0,88 1,71

C omo usualmente se requiere el caudal devapor, la Frmula 2bsernormalmente de masutilidad.

Dnde:

Ws = caudal de vapor, kg/h

M = m a sa d e l m a te ria l a c a le nta r, kg

Cp = calor especfico , kJ /kg C

t = Inc re me nto d e te mp era t ura , C

hfg = entalpa d e evaporac in del vapor, kJ /kg

h = tie mpo d is po nib le , ho ra s

Frmula 2b Caudal de vapor necesario paraconseguir un increm ento detemperatura

C uando se requiere calor para compensar lasprdidas trmicas, el caudal de vapor se puedecalcular con la Frmula 3a.

Dnde:

Qr = flujo de ca lo r, kJ /h

k = c o efic ie nte d e tra ns fe re nc ia

de ca lor, W/m2C

A = re a d e inte rc a mb io d e c a lo r, m2

t = Dife renc ia de tempera tura , C

Frmula 3a Calor necesario para compensar lasprdidas de calor

El coeficiente de transmisin de calor k , es unvalor que da la velocidad global a la que seespera que el calor viaje desde un medio calientea un medio mas fro, a travs de la barrera quelos separa.

Algunos valores tpicos de k , expresados enW / m 2 C , para el flujo de calor que sale delvapor, y a travs del acero inoxidable llega avarios lquidos en intercambiadores de calor deplacas, aparecen en la Tabla 2

Lquido Densidadrelativa

Calor especficokJ/kg C

WsM Cp t

h hfg=

Q r k A t= 3 6,


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17

El Vapo r y los Intercam biado res de Calor de Placas

Ta b la 2 . C o e f ic ie n te g lo b a l d e t ransm is in de ca lo r en t re e l vapo r y var ios lqu ido s

Lquido Valor k W/ m 2 C

Agua 5000 - 10000Orgnicos 4000 - 6000Aceite ligero 1000 - 1600Aceite pasado 600 - 1000

Estos coeficientes se ven afectados por otrosfactores y slodeben tomarse en cuenta comoaproximaciones.

El rea a la que se refiere la frmula anterior, esel reasobre la cual tiene lugar esta transferenciade calor.

De nuevo, como suele requerirse el caudal devapor, la Frmula 3busualmente serde mayorutilidad.

Frmula 3b Caudal de vapor necesario paracompensar las prdidas de ca lor

Dnde:

Ws = cauda l de vapor kg/h

k = c o efic ie nte d e t ra ns fe re nc ia

de ca lor, W/m2C

A = re a d e inte rc a mb io d e c a lo r, m2

t = Dife renc ia de tempera tura , C


C a u d a l d e v a p o r e n in t e r c a m b ia d o r e s d e c a lo r

C uando se considera el caudalde vapor en unintercambiador de calor, se debe entregar sufi-ciente vapor al lado primario del intercambiadorpara conseguir el incremento de temperaturarequerido en el lquido o gas que pasa a travsdel lado secundario del intercambiador.

Fig . 6 In te rc am b io de ca lo r

Lado primario del intercamb iador de calor

Entradade

vapor

Salidade l

fluidocalentado

entrada delfluido acalentar

Lado secundario del intercambiador de c alor

El vapor entrega su entalpa d eevaporacin y condensa

El calor pasa del lado prim ario allado secundario

Usualmente dispondremos del caudal de fluidodel secundario y del salto trmico que se requie-re para ste. D erivada de la Frmula 3b, laFrmula 4nos proporciona el caudal de vapornecesario cuando el caudal que atraviesa elsecundario estexpresado en m3/ h.

Frmula 4 4 Clculo del caudal de vapor en unintercambiador de calor desde elcaudal secundario

Dnde:


M = c auda l d e fluido3/h

d = d ens id a d re la t iva d el fluid o

Cp = calor especf ico del fluido kJ/kgC

t = Dife re nc ia d e te mp era t ura C


Wsk A t

hfg

= 3 6,

WsM d C p t

hfg

= 1 000.

salida decondensado


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18

A veces el calor requerido en una aplicacin deintercambio de calor, vendrexpresado como unrequerimiento de energa dado en kilovatios (K W)o megavatios(M W).

Un vatioes una unidad de potencia equivalentea 1 juliopor segundo (J/s), donde el julioes unaunidad bsica de energa.

Si los requerimientos de calor vienen expresa-dos en estas unidades, pueden convertirse acaudal de vapor utilizando la Frmula 5o laFrmula 6.

Frmula 5 Clculo del caudal de vapor en unintercambiador desde losrequerimientos de potencia en KW

Dnde:


kW = potencia requerida

hfg = entalpa de evaporac in, kJ /kg

Frmula 6 Clculo del caudal de vapor en unintercambiador desde losrequerimientos de potencia en M W

Dnde:


MW= potencia requerida

hfg = entalpa de evaporac in, kJ /kg

Siempre debe recordarse que incluso si seproporciona la cantidad correcta de vapor, en lasmejores condiciones posibles, las condicionesrequeridas en el secundario no se alcanzarn si

el intercambiador tiene unas dimensiones insufi-cientes. La capacidad de un intercambiador para

E JE M P L O S

Ejemplo 1

C alculate the steam flow rate on an exchanger

required to heat 15 m3/h of water from 20C to

60C . The steam pressure is 2 bar g.

Utilisando la Frmula 4

NB :Dens ida d rela tiva d el a gua = 1 (de la Ta bla 1)

Ca lor espec fico de l a gua = 4,19 kJ /kgC (de la

Ta bla 1)Entalpa de evapo rac in de l vapo r a 2 b a r r =

2.163,3 kJ /kg (del Apndice 1)

Ejemplo 2

C alcular el caudal de vapor que se requiere enun intercambiador para calentar 15 m3/ h deagua desde 20C a 60C . La presin del vapor

es de 2 bar r.

NB:Entalpa espec fica de evapo ra cin del

va por a 3 ba r r = 2.133,4 kJ /kg

(del Apndice 1)

Utilisando la Frmula 5

alcanzar las condiciones dadas, puede compro-barse utilizando la Frmula 2a,siempre que lasuperficie de intercambio de calor y el coeficientede transmisin de calor sean conocidos.

WskW

hfg

= 3 600,

WsMW

hfg

= 1 000 3600. .

Ws =

15 1 000 1 419 40

2 163 3

. ,

. ,

Ws kg h= 1 162. /

Ws =

150 3 600

2 133 4

.

. ,

Ws kg h= 253 /


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19


3 . D IS E O D E L S I S T EM A

E LE M E N T O S D E L S I S T EM A D EV A P O R

Un sistema de vapor consistirnormalmenteen cuatro elementos principales, los cualespueden afectar al funcionamiento eficiente decada unidad de equipo que utilice vapor.

G eneracin de vapor

Distribucin de vapor

Equipos que utilizan vapor

R ecuperacin y retorno de condensados

El propsito de la generacin de vapor y elsistema de distribucin, es el de proporcionarvapor a los equipos a la presin correcta, encantidad suficiente y en las mejores condicionesposibles.

Se debe proveer a los usuarios de vapor, delequipo de control de vapor y de eliminacin decondensados, para permitir que funcione deforma eficiente.

F ig . 7 Ca lde ra p i ro tubu la r co m pac ta

El sistema de recuperaci

n y retorno de con-densados debe eliminar los condensados deforma eficiente de los equipos, y asegurar queste vuelve a la caldera para ser utilizado denuevo.

Las siguientes secciones tratan algunosfactores que afectan al funcionamiento eficientede los sistemas de vapor y de los equipos queutilizan el vapor.

G E N E R A C I N D E VA P O R

El vapor se genera por la adicin de calor alagua, provocando su evaporacin. Esta opera-cin se lleva a cabo en la caldera.

Se genera desde presiones inferiores a 1 barabs, para aplicaciones de calentamiento convapor, hasta condiciones supercrticasconpresiones superiores a 220 bar abs y 374C detemperatura, para generacin de energa. Seutilizan distintos tipos de calderas dependiendode la presin, la temperatura, y la cantidad de

vapor requerido.

Quemador

Gases de lacombusti n

Espacio delvapor Vlvula de salida del vapor

1er Paso 2 Paso 3er Paso

Agua


20/80

20

1

2

3

4

56

7

8

10

11 12

13

9

17

16

15

14

F ig . 8 Sis t e m a d e v a p o r y c o n d e n s a d o

1 Tanque de alimentacim2 Cabezal mezclador3 Desaireador4 Bomba alimentacin5 Caldera6 Control TDS

7 Control de agua de alim entacin8 Control Purgas de fondo9 Tanque de purgas10 Tubera principal de vapor11 Sistema puesta en marcha12 Separador de vapor13 Conjunto de pur ga

D I M E N S IO N AD O D E L AS

T U B E R I AS D E VA P O R

Debe seleccionarse el tamao correcto de latubera para transportar la cantidad de vaporrequerida a la presin requerida.

Si la tubera es demasiado pequea, habrunacada de presin muy grande y aumentarlavelocidad, resultando una falta de presin en elequipo de vapor, y posiblemente, ruido y erosinen la tubera.

Si la tubera es demasiado grande, la instala-

El tipo de caldera ms comn para uso indus-trial en general, para presiones de vapor de hasta25 bar r, es la caldera pirotubular. Este tipo decaldera tiene un cuerpo cilndrico lleno de agua

con un espacio para el vapor en la parte superior.Hay una cmara de combustin sumergida en elagua, conectada a bancos de tubos por dondesalen los gases de escape. C ada banco detubos se denomina paso. C on este tipo decaldera es poco probable que el vapor producidosea 100% seco.

Para presiones, temperaturas, y capacidadessuperiores, se utilizan las calderas aquotubulares.En stas, el agua circula por el interior de lostubos, de ahel nombre, y los gases calientes dela combustin pasan alrededor de estos tubos.

Estos tubos estn conectados a un colector devapor en su parte superior y al caldern inferior en

su base. C on frecuencia, las calderasaquotubulares tienen un recalentador de vaporincorporado en su diseo.


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21

18

25

19

22

20

21

23

24


14 Estacin de vlvula neumtica reductora de presin15 Vlvula neumtica con posicionador16 Intercambiador de calor de placas17 Combinacin de bomba accionada por vapor/purgador18 Sistema de medida de caudal19 Estacin de vlvula reductora de accin directa

20 Tanque de recuperacin de revaporizado21 Unidades elctricas de retorno de condensado22 Vlvula neumtica con posicionador23 Humidificador de inyeccin de vapor24 Unidad de bomba accionada por vapor para retorno de

condensado25 Lnea de retorno de condensado

cin serinnecesariamente cara, y las prdidasde calor sern mayores de lo que deberan ser.

Las tuberas de vapor deben dimensionarse demanera que tanto la cada de presin como lavelocidad a lo largo de ellas, estdentro de unoslmites aceptables. Hay dos mtodos que seusan generalmente para el dimensionado de lastuberas:

M todo de la velocidad

M todo de la cada de presin

D im e n s io n a d o p o r e l m t o d o d e la ve loc ida d

Este es el ms rpido y conveniente mtodo de

dimensionado, y puede utilizarse para lneas

cortas principales o para ramales. Para recorri-dos largos de tubera, debe comprobarse lacada de presin, para asegurar que estdentrode lmites aceptables.

C uando se trata de vapor saturado, una veloci-dad mxima razonable para tuberas de grandimetro y presiones de vapor elevadas, es de40 m/s. P ara dimetros y presiones medios esms adecuada una velocidad de 25 m/s, y de 15m/s para dimetros de tubera pequeos y bajaspresiones.

La Tabla 3expone las capacidades de lastuberas para una gama de tamaos de tuberasa 15 m/s, 25 m/s y 40 m/s.


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22

Tab le 3 C a p a c i d a d e s d e v a p o r d e la s t u b e r a s a v e lo c i d a d e s e s p e c f ic a s

D im e n s io n a d o p o r e l m t o d o d e la c a d a d e p r e s i n

Para tuberas de longitud mayor que unosescasos metros, es preferible dimensionarlas por

el m

todo de la cada de presi

n, asegurandoque la presin de vapor correcta y por tanto la

correcta temperatura, estdisponible en los

equipos que utilizan el vapor. Normalmente unacada de presin de aproximadamente 0,3 barpor cada 100 m de recorrido es aceptable.

La cada de presi

n en tuber

as de vapor sepuede calcular, pero es un proceso largo que

requiere el uso de un nmero de factores relacio-

Presi n Veloc idad Caudal d e vapor kg/h

bar r m/s 15 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150m m m m m m m m m m m m mm m m mm m m m m

15 7 14 24 37 52 99 145 213 394 648 917

0.4 25 10 25 40 62 92 162 265 384 675 972 1457

40 17 35 64 102 142 265 403 576 1037 1670 2303

15 7 16 25 40 59 109 166 250 431 680 1006

0.7 25 12 25 45 72 100 182 287 430 716 1145 1575

40 18 37 68 106 167 298 428 630 1108 1712 2417

15 8 17 29 43 65 112 182 260 470 694 1020

1.0 25 12 26 48 72 100 193 300 445 730 1160 1660

40 19 39 71 112 172 311 465 640 1150 1800 2500

15 12 25 45 70 100 182 280 410 715 1125 1580

2.0 25 19 43 70 112 162 295 428 656 1215 1755 2520

40 30 64 115 178 275 475 745 1010 1895 2925 4175

15 16 37 60 93 127 245 385 535 925 1505 2040

3.0 25 26 56 100 152 225 425 632 910 1580 2480 3440

40 41 87 157 250 375 595 1025 1460 2540 4050 5940

15 19 42 70 108 156 281 432 635 1166 1685 2460

4.0 25 30 63 115 180 270 450 742 1080 1980 2925 4225

40 49 116 197 295 456 796 1247 1825 3120 4940 7050

15 22 49 87 128 187 352 526 770 1295 2105 2835

5.0 25 36 81 135 211 308 548 885 1265 2110 3540 5150

40 59 131 225 338 495 855 1350 1890 3510 5400 7870

15 26 59 105 153 225 425 632 925 1555 2525 34006.0 25 43 97 162 253 370 658 1065 1520 2530 4250 6175

40 71 157 270 405 595 1025 1620 2270 4210 6475 9445

15 29 63 110 165 260 445 705 952 1815 2765 3990

7.0 25 49 114 190 288 450 785 1205 1750 3025 4815 6900

40 76 177 303 455 690 1210 1865 2520 4585 7560 10880

15 32 70 126 190 285 475 800 1125 1990 3025 4540

8.0 25 54 122 205 320 465 810 1260 1870 3240 5220 7120

40 84 192 327 510 730 1370 2065 3120 5135 8395 12470

15 41 95 155 250 372 626 1012 1465 2495 3995 5860

10.0 25 66 145 257 405 562 990 1530 2205 3825 6295 8995

40 104 216 408 615 910 1635 2545 3600 6230 9880 14390

15 50 121 205 310 465 810 1270 1870 3220 5215 7390

14.0 25 85 195 331 520 740 1375 2080 3120 5200 8500 12560

40 126 305 555 825 1210 2195 3425 4735 8510 13050 18630


23/80

23

200

000

100

000

50

000

30

000

20

000

10

000

50

00

30

00

20

001

00

0

500

300

2

00

100

503

0201

0

100 C 200C 300 C 400C 500C

18

10

3

5

2

1

0.5

0.3

0.2

0.1

0.05

0.03

0.02

0.01

600

500

400

300

250

200

150

125

100

807

0605

0403

0252

01510

0.51

2

357

10

20

30

50

75

100

AB

C

El Vapo r y los Intercam biado res de Calor de Placas

Fig . 9 C ad a d e pre si n e n tub er a s d e va po r

Ejemplo

Determinar la cada de presin cuando 10.000kg/h de vapor saturado a una presin inicial de10 barg y una temperatura de 184 C circulan

por una tubera de 150 mm.

nados, como son la rugosidad de las paredes dela tubera y la resistencia de los accesorios.

El uso del baco de la Fig. 9proporcionaun resultado suficientemente preciso para prop-

sitos pr

cticos.

Temperatura de vapor

Ca

dadepresinbar/100m

Presin de vapor bar r

D


24/80

24

Usando la fig.9, localizar el punto desaturaci n de vapor.

- Punto A

Desde el punto A, trazar una lnea

horizontal hasta 10000 kg/h de medidade caudal.

- Punto B

Desde el punto B, trazar una lnea verticalhasta 150mm de di metro interno de latubera.

-Punto C

Desde el punto C , trazar una lnea horizontalhasta el punto de cada de presi n.

- Punto D

En este caso, la cada de presi n ser aproximada-mente de 0,4 bar r por 100m de tubera.

P U R G A D E L AS L N E AS D EV A P O R

Incluso con un aislamiento bien elegido e

instalado, el vapor de la tubera perderuna

parte de su calor, que saldra travs del aislante

hacia la atmsfera. A causa de ello, una parte del

vapor condensa, y este condensado es transpor-

tado con el vapor a lo largo de la tubera.

Es importante impedir que este condensado se

acumule. P uede afectar al funcionamiento de la

planta si se le lleva hasta los equipos que utilizan

el vapor, y puede causar daos a la tubera, a los

accesorios de la tubera y al equipo de proceso.

C uando es transportado al interior de los

equipos de intercambio de calor junto con el

vapor, se suma a la pelcula de condensado de la

superficie de intercambio de calor, disminuyendoel rendimiento del equipo.

C uando se transporta a velocidades superiores

a los 300 m/s, puede causar erosin en los

asientos de vlvulas.

El go lpe de ar ie te

El golpe de ariete sucede cuando el condensa-

do se agrupa en una bolsa y es transportado por

la tubera a la velocidad del vapor.

Estas bolsas llegan a una vlvula o a una curva

de la tubera y se encuentran de golpe detenidas.La energa cintica del condensado se convierte

en presin y se ejerce un golpe de presin sobre

la obstruccin que puede causar daos conside-

rables.

P u n t o s d e p u r g a d e la ln e a d e v a p o r

Para ayudar a evitar el problema del golpe de

ariete, las lneas de vapor deben montarse con

puntos de purga de condensados cada 30 m a

50 m, ascomo donde haya puntos bajos ycambios de elevacin, donde el condensado

suele acumularse.

Un punto de purga consiste en un pozo de

goteo y un purgador, dispuestos para expulsar el

condensado del pozo de goteo. Un purgador es

un dispositivo que permite el paso del condensa-

do a travs de l, pero no permite el paso del

vapor.

El condensado se forma a causa de las prdidas porradiacin en la tubera

Se pueden formar b olsas de condensado y serarrastradas a la velocidad del vapor

Fig .11 La ca us a d e l g o lp e d e a rie te

Fig .10 P rd id a d e ca lo r e n un co nd uc to d e v a p o r

Prdidas decalor

Vapor

Tubera

Aislamiento

Condensado


25/80

25


Las tuberas de vapor de hasta 100 mm dedimetro deben tener un pozo de goteo delmismo dimetro que la lnea. Las tuberas demayor dimetro deben disponer de un pozo degoteo dos o tres medidas ms pequeas que la

tubera, pero no menor de 100 mm.

C uando tienen lugar procedimientos de puestaen marcha lenta programada, la longitud delpozo de goteo debe ser aproximadamente de1,5 veces el dimetro de la tubera, pero noinferior a 200 mm. Si la caldera se apaga cadanoche y no se utilizan procedimientos de puestaen marcha lenta automticos, puede ser necesa-rio procurar un pozo de goteo de mayor longitud,de 700 mm o ms.

Para que un purgador funcione, es necesaria

una diferencia de presi

n positiva entre la entra-

Flujo de vapor

Salida decondensado

Pozo de goteo

Purgador

Conjunto de pu rga

Vlvula de purga

Fig .12 Pu nt os de p ur g a d e un a ln ea de va po r

da y la salida. C uando se pone en marcha unacaldera por primera vez, la presin en la lnea devapor puede no ser suficiente y el pozo de goteode mayor longitud produciruna presin hidruli-ca positiva sobre el purgador. Un pozo de goteode 700 mm produciruna carga hidrulica deaproximadamente 0,07 bar r por encima de lapresin de la lnea real.

Para dimensionar correctamente el purgadorpara una lnea de vapor es necesario conocer la

carga de condensado. La carga de calentamien-to, cuando la caldera se pone en marcha y las

lneas de vapor van alcanzando la temperaturanormal de funcionamiento, sermayor que lacarga de marcha normal en que el vapor slocondensa a causa de las prdidas de calor en latubera. Usualmente el purgador debe

dimensionarse para hacerse cargo de la cargade calentamiento, mayor, pero hay ocasiones enque la instalacin de vapor siempre estenfuncionamiento y serapropiado eldimensionado de las tuberas para la carga detrabajo.

Debe recordarse que en la puesta en marcha lapresin sermucho ms baja que durante elfuncionamiento normal. La Tabla 4, muestra lascargas de calentamiento y de marcha normalpara tuberas de vapor de hasta 400 mm.

Conjunto de p urga

Disponemos de muchos tipos distintos depurgador, cada uno con sus caractersticasparticulares y mtodo de funcionamiento. Entrminos muy generales, se pueden dividir entres tipos distintos segn su principio de funcio-namiento:

M ecnico

Termodinmico

Termosttico


26/80

26

Presin Dimetro nominal de la tubera en mm de vapor

bar r 50 65 80 100 125 150 200 250 300 350 400

1 5,4 8,6 11,2 16 22 28 44 60 80 94 1234,8 5 ,4 6 ,8 8,5 10 ,3 13 16 19 23 25 28

5 8,2 13 17 24 33 42 63 70 119 142 1857,3 8 ,9 10,5 13 17 20 24 30 36 40 46

7 8,7 13,8 18 26 35 45 68 97 128 151 1988,2 10,2 12 15 19 23 28 35 42 46 52

10 9,9 16 20 29 40 51 77 109 144 171 2249,8 12 15 17 21 25 33 41 49 54 62

14 10,9 17 23 32 44 57 85 120 160 189 247

11,2 14 17 20 26 30 39 49 58 64 73 18 17 23 31 45 62 84 127 187 255 305 393

15 16 19 24 30 36 44 55 66 72 82

Cargas de condensado en k g/hCarga de calentamiento en t ipo norm al. Carga de marcha norm al en negrita cursiva

Ta b la 4 C a ud a l d e c o n d e n s ad o e n c a le n ta m ie n to y e n m a r c ha n o r m a l p a r a ln e a s d e v a p o r

Fig .13 Tipo s de purg ado res

PurgadortermodinmicoTD

PurgadortermostticoSM

Purgadormecnico FT

Un purgador mecnico detecta la diferencia dedensidad entre el vapor y el condensado ydescargarel condensado tan pronto como stese forme, a la temperatura del vapor. Los

purgadores mecnicos incluyen los tipos deflotador con elemento termosttico(FT), y los decubetainvertida(IB).

Los de tipo termodinmico (T D) se basan en ladiferencia de velocidad entre el vapor y el con-densado cuando atraviesan un orificio, y descar-gan el condensado a unos pocos grados pordebajo de la temperatura del vapor.

Los purgadores termostticos requieren que seenfre el condensado y descargarn entre 15C y30C por debajo de la temperatura del vapor,

dependiendo del tipo de elemento termost

ticomontado. Entre los purgadores termostticos seincluyen los de presin equilibrada(BPT), y losbimetlicos(SM ).

En el drenaje de las lneas de vapor es impor-tante que se extraiga el condensado tan prontocomo ste se forma. Por tanto, recomendara-mos un purgador de tipo TD termodinmico, obien un purgador de tipo FT mecnico, depen-diendo de las condiciones de funcionamiento. Sepuede ver en las cargas de condensados ex-puestas en la Tabla 4, que incluso cuando se

dimensiona para condiciones de calentamiento,un purgador de 15 o 20 mm sernormalmente

adecuado.

El problema del aire en un sistema de vapor sediscute en la siguiente seccin, pero es impor-


27/80

27

El Vapor y los Intercam biado res d e Calor de Placas

F ig .14 Con jun to de pu rg a

Purgador

Vlvula deretencin

Cmera Spiratec

Vlvula deaislamiento


De la tubera dedistribucin Salida decondensado

atributos, lo convierte en la primera opcin parala purga de un intercambiador de calor de pla-cas.

Los purgadores de tipo termosttico tienen unbuen comportamiento con el aire en la puesta enmarcha, mientras que los purgadores termodin-micos responden moderadamente con el aire, a

no ser que se monten con elemento internoespecial.

Varios elementos de equipo auxiliar sernnecesarios junto al purgador para montar unconjunto de purga.

Vlvulas de aislamiento

Cmara Spiratec (o mirilla)

Filtro

Vlvula de retencin

Las vlvulas de aislamientoson necesarias para aislar elconjunto de purga y poderrealizar el mantenimiento.

La cmara Spiratec permitela comprobacin automticadel funcionamiento delpurgador. Si no estmonta-da, debe montarse una mirilladespus del purgador.

Antes del purgador debemontarse un filtro para prote-

gerlo de los residuos de lastuberas.

E LI M IN A C I N D E L A IR E

El aire y otros gases incondensables puedenintroducirse en un sistema de vapor a travs delas uniones cuando el sistema estparado, opuede entrar tambin con el vapor desde lacaldera.

Estos gases incondensables deben ser expul-sados ya que provocarn que el calentamientode la red de distribucin de vapor sea ms lento,causarn corrosin en el sistema de vapor, y sillegan a equipos de intercambio de calor, reduci-rn su rendimiento.

Fig .15 Elim inac in d e a i re en lnea s de v a p o r

Eliminadorde aire

Conjunto de pur ga

Tubera devapor

Debe tambin montarse una vlvula de reten-cin despus del purgador para asegurar que nose produzca un flujo inverso que atraviese elpurgador.

tante que un purgador elegido para esta aplica-cin sea a su vez capaz de eliminar el aire reclui-do en la lnea de vapor. El purgador de cubetainvertidano es muy eficaz en ese aspecto,mientras que el de flotador con elemento termos-

tticotiene unas excelentes cualidades en eltratamiento del aire. Esto, junto a sus otros


28/80

28

Vlvula electroneumtica concontrolador y sensor de presin

F ig .16 V l vu las re duc to ras de p res in d e vap or

Vlvula de accin dir ecta

Vlvula pilotada

Existen muchos tipos de vlvulas para reducirla presin de vapor, incluyendo las deaccionamiento directo, las pilotadas, las neumti-cas y las electroneumticas. La eleccin depen-der del caudal de vapor, la estabilidad de la

carga de vapor, la presin de vapor, y las varia-ciones esperadas de presin aguas arriba yaguas abajo.

Una vlvula de accionamiento directo es muyrobusta y de simple operacin. Debido a sumtodo de funcionamiento, la presin aguasabajo se desviar de la presin establecida si lapresin aguas arriba se altera o cambia la cargade vapor. Llamamos a esto offset, y esta carac-terstica puede ser aceptable cuando la carga devapor y la presin aguas arriba no varan mucho,o cuando las variaciones de presin aguas abajo

pueden aceptarse.

Una vlvula pilotada proporciona mayor preci-sin en la presin aguas abajo cuando funcionabajo condiciones donde la presin aguas arribapuede cambiar, o puede haber variaciones en elcaudal.

La flexibilidad y precisin bajo todas las condi-ciones de funcionamiento puede alcanzarseutilizando una vlvula de accionamientoelectroneumtico.

Los eliminadores de aire automticos debenmontarse en los extremos de las lneas de vapory en puntos estratgicos a lo largo de ellas, paraasegurar que los gases incondensables seanexpulsados.

De otro modo, se mezclarn con el vapor yformarn una barrera aislante sobre las superfi-cies de intercambio de calor, disminuyendo lavelocidad de transferencia de calor, y potencian-do la corrosin.

R E D U C C I N D E P R E S I N

A menudo, la presin del vapor debe reducirsepara satisfacer las necesidades de un proceso

particular.El vapor se debe generar a, o cerca de, la

presin de diseo de la caldera, para asegurarque sea de la mayor calidad. La distribucindebe hacerse a alta presin pues requiere di-metros menores de tubera. Algunas aplicacionesrequieren vapor a presiones bajas, con la limita-cin de la presin establecida tanto por losrequerimientos del proceso como por el mismoequipo de proceso. C uando sea necesario, lapresin del vapor se reducir mediante unaestacin reductora, que incorpora una vlvula

reductora de presin.


29/80

29

Separador

Conjunto de pur ga

Filtro

Vlvula r eductora

Vlvula deseguridad


Manmetro

Vapor a alt apr es in

Vapor aprec inreducida

Condensado


Vlvulas de aislamiento aguas arriba yaguas abajo

Filtro

M anmetro aguas arriba y aguas abajo

Vlvula reductora de presin

Vlvula de seguridad

Un separador de vapor extrae las gotitas deagua suspendidas en el vapor. Su seccin esmucho mayor que la de la tubera que le llega;cuando el vapor entra al separador, su velocidadcae, mientras que la inercia de las gotas deagua, mas pesadas, las lleva a incidir en losdeflectores internos del separador. Las gotas sondirigidas entonces hacia la conexin de purga yexpulsadas por un purgador. La eliminacin deestas gotas de agua del vapor ayudarn a ase-

gurar que se alcancen los mximos ndices detransferencia de calor en el intercambiador decalor, y que no se erosionen los asientos devlvulas. La erosin que se produce en losasientos de vlvulas, est causada por las gotitas

de agua que pasan a travs de stas a velocida-des de hasta 300 m/s durante el funcionamientonormal.

Se requieren vlvulas de aislamiento para

facilitar las reparaciones y la limpieza de loscomponentes de estaciones reductoras. Lavlvula de aguas arriba se emplaza despus delseparador, de manera que la tubera que le llegasea purgada y liberada de condensados ancuando la vlvula est cerrada.

Se requiere un filtro para proteger la vlvulareductora de los residuos de la tubera; se debemontar delante de la vlvula con una malla finadel n100, con su cesta en posicin horizontal.

E s ta c i o n e s r e d u c t o r a s d e p r e s i n

El principal propsito de una estacinreductora de presin, es el de suministrar vapora la presin adecuada y en suficiente cantidad.

Deber disearse tambin para asegurar que elvapor suministrado es seco y limpio.

Para lograr esto, una estacin reductora depresin deber disponer de los siguientes com-ponentes:

Separador de vapor y conjunto purgador

F ig .17 Es tac in red uc to ra d e p res in de vapo r co n v l vu la p ilo tad a



30/80

30

Fig .18 Se p a ra d o r de va p o r

Esto evita que se llene de condensado bajo

condiciones sin flujo, cuando la vlvula reductoraest cerrada, el cual podra ser llevado a lavlvula cuando se abre de nuevo.

La vlvula de seguridad, montada despus dela vlvula reductora de presin, asegura que elequipo montado aguas abajo de la estacin noest sometido a altas presiones inaceptables, encaso de fallo de la vlvula reductora de presin.

C uando existen condiciones de amplia varia-cin de caudal, dos vlvulas reductoras depresin con sus ajustes de presin ligeramente

diferentes, montadas en paralelo, con una capa-cidad combinada que absorba la carga mxima,dar mejores resultados que una sola vlvula demayor tamao.

A plena carga, las dos vlvulas estarn abier-

F ig .19 V lvu las reduc to ras de p res in mo n tada s en pa ra le lo

tas. A medida que disminuyeel caudal, la presin controla-

da se elevar ligeramente y lavlvula ajustada a la presininferior empezar a cerrarse.

Si se reduce mas la carga,esta vlvula se cerrar, y serla otra vlvula la que modulara travs de su banda propor-cional.

Si se requiere una altareduccin de presin puedeser aconsejable montar dos

vlvulas reductoras en serie. C uando se tomeesta decisin, depender mucho del tipo devlvula que se utilice y de las condiciones defuncionamiento, pero como gua general, debeconsiderarse el montaje de dos vlvulas cuandola reduccin exceda la relacin 10:1.

R E V A P O R I Z A D O

C uando el vapor libera su entalpa especfica deevaporacin, se forma condensado a la mismatemperatura y presin que la del vapor del quecondensa. C uando este condensado se descar-ga a una presin inferior, la energa que contienees mayor que la que puede sostener permane-ciendo en estado lquido.

Vapor sec o

Purga decondensdado

Deflectores

Vapor

hmedo

Vapor a altapr es in

Vapor apr es inreducida

Condensado


31/80

31

F ig .20 V lvu las reduc to ras de p res in m on tad as en se r i e

Vapor a alta

pr es in

Vapor apr es inreducida

Condensado Condensado

Este exceso de energa hace que se revaporice

parte del condensado y pase a vapor a la presininferior. Aunque nos referimos a este vapor comorevaporizado, no es ms que vapor saturado auna presin inferior. La cantidad de revaporizadoliberado del condensado a alta presin pudecalcularse con la Frmula 7. Alternativamente, lacantidad de revaporizado que se forma por kgde condensado, puede leerse en la Fig. 21,

trazando una lnea desde la alta presin, en el eje

de ordenadas del grfico, hasta la lnea de bajapresin que corresponda, y entonces leer lacantidad de revaporizado liberado por kg decondensado, en el eje de abscisas.

C uando sea posible, este revaporizado debeutilizarse como fuente de vapor para aplicaciones

F ig .21 Revapo r izado po r kg de cond ensad o

kg de revaporisado que se libera por kg de condensado

Presinsuperiorbarr

Presin inferor bar r



32/80

32

dnde:

Ws = c a ntid a d d e re va po riz a do , kg /h.

hf(hp) = enta lpa especfica del agua a la

pres in sup erior, kJ /kg.

hf(Ip) = enta lpa especfica del agua a la

pres in inferior, kJ /kg.

hfg(Ip) = entalpa especfica d el vapor a la

pres in inferior, kJ /kg.

Wc = c arg a d e c ond ens ad o, kg /h.

Frmula 7. Clculo de la cantidad derevaporizado

Fig .2 2 Ta nq ue d e re va p or iza do

S IS T EM A D E R ET O R N O D EC O N D E N S A D O S

Un sistema efectivo de retorno de condensa-

dos es necesario para transportar el condensadodesde los equipos que utilizan el vapor hasta lacaldera. El condensado ya ha sido tratado parasu uso en una caldera, y adems contiene calortil. Este aprovechamiento disminuye la cantidadde calor que la caldera deber aportar paraconvertirlo de nuevo en vapor.

Los sistemas de retorno de condensados sepueden dividir en tres categoras principales,como se ilustra en la Fig. 23:

Lneas de purga a los purgadores (a).

Lneas de descarga sin bombeado desdelos purgadores (b).

Lneas de retorno bombeadas (c).

L n e a s d e p u r g a a lo s p u r g a d o r e s

El flujo de condensados de los equipos deproceso hacia su purgador suele ser por grave-dad.

Se puede dimensionar esta tubera mediante elmtodo expuesto en el siguiente captulo, peropara propsitos prcticos, el tamao de la tube-

ra, ser el mismo que el del purgador, asumien-do que el purgador se ha dimensionado correcta-mente. El purgador debe montarse un mnimo de200 mm por debajo del equipo que est purgan-do para proporcionar una columna de aguasobre el purgador.

El retorno de condensados de losintercambiadores de calor de placas, puedeplantear problemas que no se dan en otrasaplicaciones, y se discutirn detalladamente en lasiguiente seccin.

L n e a s d e d e s c a r g a n o b o m b e a d a s

En el lado de descarga del purgador, las lneasde condensado deben transportar el condensa-do, as como cualquier gas incondensable lleva-do a travs del proceso, y el revaporizado libera-do por el condensado por la cada de presin alpasar por el purgador.

C omo se vio en el captulo previo, la masa derevaporizado que se libera puede ser relativa-mente pequea comparada con la masa restante

del condensado del que se desprende. P ero elvolumen del revaporizado puede ser muy grande

de vapor a baja presin. Se puede utilizar untanque de revaporizado para separar elrevaporizado del condensado.

En casos en que el suministro de revaporizado

no se ajuste a la demanda de vapor a bajapresin, el exceso de vapor puede expulsarse atravs de un dispositivo de vlvula limitadora.C ualquier dficit en el suministro puede repararsecon la aportacin de vapor procedente de unalnea de alta presin a travs de una vlvulareductora.

Wsh h

hWc

f hp f lp

fg lp

=

( ) ( )

( )

Condensado debaja presin

Revaporizado/condensado dealta presin

Revaporizadoa baja presin

Tanque deevaporizado


33/80

33

Fig . 2 3 Sis te m as d e c o nd ens ad os

Equipos depr oc eso

Vapor

(a) Lnea de drenajehacia purgador

Conjunto depu rg a

(b) Lneas de descarga depu rg ad ores no bo m bead as

Aireador

Conjunto de bom baelctrica paracondensado

(c) Lnea bombeada de retorno de condensado

y debe tenerse en cuenta cuando se dimensionela tubera de condensado.

Para ilustrar esto, si se descarga el condensa-do desde un purgador, con una presin aguasarriba de 3 bar r, a una tubera de condensadopresurizada a 0,5 bar r, un 6,2% del condensadose revaporizar. C on cada kg de revaporizado

ocupando 1,15 m3

y cada kg de condensadoocupando solo 0,001 m3, el 99% de la tubera decondensado estarocupada por revaporizado, ysolo el 1% ocupado por condensado.

Por tanto, las lneas de condensado no bom-beadas deben ser dimensionadas con esto enmente. La Fig. 24, proporciona un medio dedimensionar este tipo de lnea de condensado,donde se conoce la presin aguas arriba delpurgador, y se conoce la presin del sistema decondensados. La medida de la tubera de con-densado que nos proporciona el grfico, man-

tendrlas velocidades del revaporizado en latubera dentro de unos lmites aceptables.

Este grfico estconstruido mediante unmtodo de dimensionado por velocidades. Lacada de presin a lo largo de la lnea de conden-sado, debida al rozamiento, seraproximada-mente de 0,3 bar r por cada 150 m.

Ejemplo

Seleccin de una tubera de condensado nobombeada, para transportar el condensadodesde un proceso que opera a 3 bar r (4 barabs). El caudal mximo de condensado serde750 kg/h y la contrapresin en la tubera decondensado se estima en 0,5 bar r (1,5 bar abs).

Usando el grfico de la Fig. 24, marque elPunto A, presin de vapor del sistema enbar a.



34/80

34

30

10

0

0.5

1

2

3

4

5

E

AB

C

D

F

Temperaturadelvapor

C

Presindelsistemadevaporbara

30

10

5

0

0,5

1

2

2015

50Presi

ndelsistemadecondensado

bara

30

10

0

0,5

1

23

45

20

Dimetrodetuberadecondensado

150

100

80

65

40

32

25

20

15

10

6

50

500

400

350

300

250

200

100.000

50.000

20.000

10.000

5.000

2.000

1.000

200

100

50

20

10

Caudaldecondensadok

g/h

500

E

Fig . 2 4 D im e n s io n ad o d e la tu b er a d e c o nd e ns a do

250

100

120

140

160

180

200

AB

C

D

F


35/80

35

D D D D

com n( ) ( ) ( ) ( )= + + +12

2

2

3

2

.........

Trace una lnea desde el Punto A al PuntoB, presin del sistema de condensado enbar a.

Trace una lnea desde el Punto B al Punto

C , caudal de condensado en kg/h, situadaen el eje de ordenadas del grfico superior.

Extienda la lnea desde el Punto C al PuntoD en la escala de dimensin de tubera decondensado.

Haga lectura de la medidade tubera de condensadoen la escala. En este ejemplo sernecesaria unatubera de 40 mm.

Este mtodo permitiral usua-rio dimensionar tuberas simplesde condensado no bombeadascon exactitud. En muchos casos,las tuberas individuales se co-nectan a una tubera comn quedesemboca en un depsitoreceptor o un tanque derevaporizado. C uando este sea elcaso, utilice la Frmula 8paracalcular el tamao de la tubera

Fig . 2 5 Dim e n sio na d o d e tu be ra s d e c o n d e n s a d o m lt ip le s

Dnde:

D(comn)

= Dimetro interior de tuera comn,

mm

D(1)

= dimetro nominal de la primera

tubera de c ondensad o, mm

D(2)

= dimetro nominal de la segunda


D(3)

= dimetro nominal de la tercera


Frmula 8. Dimensionado de la tubera comnpara condensado no bombea do

comn, cuando las dimensiones de las tuberasindividuales son ya conocidas.

El valor calculado de D(comn)

no serun dime-tro nominal exacto de tamao de tubera, por lo

tanto seleccionaremos la medida disponible mscercana. En la Fig. 25se muestra un ejemplo decaudales de condensado que descargan en unatubera comn y el efecto que tendren eldimensionado de la tubera.

Bajo condiciones normales de funcionamiento,la contrapresin en un sistema de condensadoes la suma de tres componentes:

La presin al final de la lnea de retorno; o

la presin atmosfrica, o bien la presin deltanque donde la lnea descarga.

La presin impuesta por la altura en elsistema de retorno.

La cada de presin a lo largo del sistemade retorno.

Proceso 32.000 kg/h

4 bar r

Proceso 21.000 kg/h

2 bar r

25 mm

40mm

50 mm

65

mm

80 mm

Proceso 1500 kg/h

3 bar r



36/80

36

Si el dimensionado se lleva a cabo correcta-mente, el tercer componente puede ser insignifi-cante, considerando en la prctica slo los dosprimeros.

L n e a s d e r e t o rn o b o m b e a d a s

Las lneas de condensado no bombeadas,individuales o comunes, con frecuencia seconectan en un depsito receptor, y luego sonbombeadas hacia la caldera.

En la mayora de casos, las lneas decondensado bombeadas transportan solamenteagua, sin revaporizado. Este serel caso siem-pre que el depsito receptor estventilado.

La Fig. 24tambin puede utilizarse paradimensionar tuberas de condensado bombea-das, cuando no hay presencia de revaporizado.

Ejemplo

Dimensionado de una tubera de condensadobombeada para transportar 10.000 kg/h decondensado.

Localice la carga de condensado, Punto Een la escala de caudal de condensado, en

el eje de ordenadas izquierdo del grficosuperior.

Extienda una lnea horizontal desde elPunto E al Punto F a la derecha del grfico,y tome lectura del tamao de tuberarequerida. En este caso se tratarde unatubera de 65 mm.

Las bombas no trabajan continuamente, ynormalmente tienen un tipo de accionamientoon/off. Esto se debe tener en cuenta cuando sedimensiona la tubera de condensado desde labomba, porque la velocidad de descarga de la

bomba sersuperior a la velocidad real decondensacin del equipo de proceso. Depen-diendo del tipo de bomba esta velocidad dedescarga puede variar desde 1,5 a 6 veces lavelocidad de condensacin real.

Las lneas de suministro bombeadaslargas, requieren tambin especial atencin sihay que evitar el golpe de ariete en ellas. El aguaal ser bombeada puede ganar una cantidad demovimiento importante y puede continuar mo-vindose por la tubera cuando la bomba separa. Esto puede crear un rea de baja presinen la tubera, detrs de la bolsa de agua en

movimiento, que puede provocar un flujo inversocuando la cantidad de movimiento se ha agota-do. Para evitarlo, se puede montar un rompedorde vaco de dimensiones adecuadas al inicio dela lnea de descarga, junto con una vlvula de

retencin para proteger la bomba. Puede sernecesario un eliminador de aire en el extremo desalida de la lnea para descargar el aire aspiradopor la vlvula rompedora de vaco, como semuestra en la Fig. 26.

Fig . 2 6 B om b e o a la rg a dis ta nc ia

Tambin pueden aparecer problemas cuandolas lneas de descarga que vienen de lospurgadores se conectan directamente a unalnea de condensado bombeada. Esto deberaevitarse, conduciendo la descarga a una lnea de

condensado separada no bombeada, quetransporte el condensado a un depsito recep-tor.

D im e n s io n a d o d e u n id a d e s d e b o m b a / p u r g a d o r c o m b i n a d a s

En la siguiente seccin, que trata del control detemperatura en intercambiadores de calor deplacas con detalle, se hace referencia a la combi-nacin de bomba/purgador.

sta, consta de una bomba automtica decondensado accionada por vapor, montada en

Unedad de bom beo decondensado

Vlvua de retencin

Rompedor de vacoEliminador de aire


37/80

37

Fig . 2 7 Un id a d e l c tr ic a d e b o m b e o de c on d en sa d o s

serie con un purgador. Dependiendo del estadodel proceso en el que se monta el dispositivo, elcondensado, o bien fluirpor el purgador demanera normal, o bien serbombeado a travsdel purgador por la bomba automtica. De esta

manera, la lnea de condensado de proceso sera la vez una lnea bombeada y no bombeada.

Para dimensionar la tubera de condensado,este tipo de aplicacin debe tratarse como nobombeada, y dimensionarla de acuerdo con ello.

B o m b e o d e c o n d e n sa d o

Hay disponibles dos tipos principales de unida-des de bombeo de condensado:

Unidades de bombeo elctricas

Unidades automticas de bombeoaccionadas por vapor o aire

U n id a d e s d e b o m b e o e l c t r ic a s

Este es el tipo de unidad de retorno de con-densado ms ampliamente utilizado, consistente

en un depsito receptor ventilado con una o msbombas motorizadas.

Los controles de nivel montados en el depsitoponen en marcha y paran la(s) bomba(s). Asimis-

mo, pueden montarse alarmas para avisar decondiciones de nivel altas o bajas en el depsito.

La mayor limitacin en este tipo de unidadesde bombeo, es la temperatura del condensadoque la bomba es capaz de soportar. Si la tempe-ratura del condensado es demasiado alta, serevaporizaren la zona de depresin a la entradade la bomba, causando daos a la bomba. Aesto se le llama cavitacin. Estos lmites detemperatura varan desde inferiores a 90C hasta98C dependiendo del tipo de unidad.

Tambin, si deben utilizarse en reas peligro-sas, o hmedas , los motores, recintos ycableado debern reunir las condicionesestndar aplicables.

Motor elctrico

Receptor

Bomba de condensados

Descarga de condensado



38/80

Fig . 2 8.1

Fig . 2 8.2 Vlvula deadmisin

38

Entrada de

condensado

Aireador

Entrada decondensado

Vapor im pulsor

Fig . 2 8 Fu nc io na m ie nt o d e la b o m b a a u t o m t i c a

B o m b a a u t o m t ic a

La bomba automtica accionada por aire ovapor, funciona bajo el principio de desplaza-miento positivo. La bomba consiste en una

vlvula de retencin de entrada y una desalida, y un cuerpo, formado por un conjuntode vlvula de entrada y salida accionada porun mecanismo de flotador. La Fig. 28muestrasu funcionamiento.

El fluido accede al cuerpo de bombapor la vlvula de retencin de entrada.

Los gases residuales no condensablesen el cuerpo de bomba, escapan por la

vlvula de retencin abierta,Fig. 28.1.A l llenarse la cmara, la vlvula pivota

sobre su mecanismo articulado,abriendo la vlvula de admisin ycerrando la vlvula de escape, Fig. 28.2.Este mecanismo articulado de

accionamiento ultrarpido asegura uncambio rpido entre llenado y bombeo.

C omo la presin en el interior es superior ala contrapresin total, el fluido es forzado

hacia fuera, a travs de la vlvula deretencin de salida, al sistema de re-torno.

Al bajar el nivel de fluido de labomba, el flotador hace pivotar el

mecanismo, provocando que secierre la vlvula de admisin y que seabra la vlvula de escape.

Debido a la cada de presin en elcuerpo de bomba, el fluido entra de

nuevo por la vlvula de retencin y serepite el ciclo.

A diferencia de las bombas centrfugaselctricas, este tipo de bomba no cavita

y puede eliminar el condensado bajotodas las condiciones de carga y tempe-ratura. N o tiene consumo elctrico,hacindola adecuada para ambientespeligrosos o hmedos , sin modifica-cin. Si es necesario se puede suminis-trar en una unidad compacta completa,con depsito receptor, como se muestraen Fig. 29.

B om ba purgad or au tom t ica

Una innovacin reciente es la combinaci n de

una bomba autom tica y un purgador de boyaen una unidad compacta. Est dise ada

Entrada defluido

Salida delfluido

Vlvula de retencinde entrada

Vlvula de retencinde salida

Vlvula deescape


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39

F ig . 30 Func ionam ien to de la bom ba pu rgado r au tom t ica

1. El condensado entra en el cuerpo a travs de la vlvula declapeta de entrada, llenando el cuerpo y haciendo elevar el flotador.

El flotador est conectado al mecanismo de purga por medio

por medio de una multiarticulacin. Si la presin de entrada essuficiente para superar la contrapresin en la salida, el condensado

acomulado se descargar a travs del mecanismo de purga de

dos etapas. De este modo, el flotador modular de acuerdo

con la tasa de condensado que entra a la bomba purgador,

controlando el grado de apertura o cierre del purgador.

2. En algunos equipos con temperatura controlada, es posible

que la presin de entrada sea inferior que la contrapresin de salida.

Si ocurriera esto, un purgador normal se bloqueara, provocando

el anegamiento del intercambiador que deba purgar.

3. Cuando esto ocurre, el condensado simplemente llena

el cuerpo de la bomba, elevando el flotador hasta que acciona

el mecanismo de cambio, abriendo la entrada de flujo motriz

y cerrando la vlvula de escape.

especficamente para aplicaciones deintercambiadores de calor donde, debido a loscambios de las condiciones de carga, existir n

cargas de vapor variables en el intercambiador.

A menuda, bajo condiciones de trabajo normales

el vapor en el intercambiador estar a presionesinferiores a la atmosf rica.

La fig.30 describe el funcionamiento de labomba purgador autom tica.

Escape

Entrada de

condensado

Salida decondensado

Entrada devapor

Entrada d econdensado

Salida decondensado



40/80

40

4. Este mecanismo de accin ultrarrpida asegura

un cambio entre el modo de purga y el modo de

impulsin. Con la vlvula de entrada de vapor abierta,

la presin en el cuerpo incrementa hasta superar la

contrapresin total y el condensado es forzado a salir

de la bomba purgador.

5. Al bajar el nivel de condensado de la cmara principal,

el flotador acciona el mecanismo de cambio, provocando

el cierre de la entrada de fluido impulsor y la apertura de

vlvula de escape.

6. Cuando la presin dentro de la bomba purgador iguala

la presin de entrada de condensado a travs de la

vlvula de escape abierta, el condensado vuelve a entrar

por la vlvula de clapeta de entrada. Al mismo tiempo,la vlvula de retencin de salida impide que el

condensado pueda volver a entrar a la bomba purgado.

El ciclo de purga vuelve a empezar.

Escape

Entrada decondensado

Salida decondensado

Entrada de vapor


Salida decondensado

Escape


Salida decondensado


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4 . C O N T R O L D E TE M P E R AT U R A E N IN T ER -C AM B IAD O R E S D E C A L O R D E P L AC AS

D I S E O D E L IN T ER C A M B I A-D O R D E C A LO R

C omparado con otro tipo de intercambiadores,los intercambiadores de calor de placas tienenuna alta relacin de transferencia de calor res-pecto al tamao. El coeficiente de transferenciade calor alcanzado por un intercambiador de

calor de placas es considerablemente mayor queel alcanzado por un intercambiador tradicional decarcasa y tubos.

C omo consecuencia de esta caractersticade altas prestaciones, el rea fsica de transmi-sin de calor requerida para un determinadoservicio es relativamente pequea.

El rea de calentamiento real necesaria

Frmula 10 Clculo de la diferencia detemperaturas media aritmtica

Dnde:

Tamtd

= diferencia de temperaturas med ia

aritmtica, C

TH(in)

= temperatura de e ntrad a al lad o primario, C

TH(out)

= temperatura de sa lida del lad o primario, C

TC(in)

= temperatura d e entrad a a l lad o

secundario, C

TC(out)

= temperatura d e sa lida del lad o

secunario, C

Este clculo se muestra en la Frmula 10.

C uando se utiliza vapor como medio de calen-tamiento primario, ste cede su entalpa especfi-ca de evaporacin a temperatura constante, portanto, TH

(in)y TH

(out)tendrn el mismo valor. Se

puede utilizar un clculo simplificado para llegar ala temperatura media aritmtica como se mues-tra en la Frmula 11.

C uando se selecciona un intercambiador decalor de placas, la cada de presinen el lado

Frmula 9 Cculo de superficie de intercambio

de calor

Dnde:

A = rea de tra ns ferencia de c alor, m2

Q = ca lor req uerido, kW

k = c oefic iente d e tra ns ferenc ia de c a lor,

W/m2C

Tlmtd

= d ife re nc ia d e te mp era tura s me dia

logartmica, C

NB: con in tercambiadores de ca lor de placa

el valor de k es ta r entre 5.000 -10.000

W/m2C .

para proporcionar un determinado servicio,puede calcularse con la Frmula 9.

La diferencia de temperatura media logartmica(T

lmtd), es la media logartmica de las diferencias

de temperaturas, entre las temperaturas deentrada y salida, del primario y del secundario del

intercambiador de calor. Para la mayora decasos prcticos, la diferencia de temperaturasmedia aritmtica (T

amtd), puede usarse en su lugar.

Frmula 11 Clculo simplificado de la diferenciade temperaturas media aritmtica

T THTC TC

amtd in

out in=

+

( )( ) ( )

2

AQ

k Tlmtd

=

1 000.



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secundario es de mayor importancia. A menu-do, cuando el vapor es el medio caliente prima-rio, se selecciona una superficie de transferenciade calor mayor de la necesaria, con el fin demantener la cada de presin del secundario

dentro de unos lmites razonables.

Se puede ver en la Frmula 9, que si el rea (A )de transferencia de calor se incrementa, de lanecesaria para dar el calor requerido (Q ), la nicavariable que puede cambiar para entregar elcalor requerido con esta rea de transferencia decalor incrementada, es la diferencia media detemperaturas. Esta debe disminuir, y la nicaforma de disminuir, sin cambiar las condicionesdel secundario, es disminuyendo la diferenciamedia de temperatura del primario.

Dicho de otro modo, si se quiere conseguir laentrega de calor esperada, utilizando una superfi-cie de transferencia de calor mayor, la tempera-tura del vapor, y p

El Vapor y Los Intercambiadores de Calor de Placas Gp-gcm-12

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