CAPITULO I
MARCO TEORICO
INTRODUCCION
1. VAPOR DE AGUA
El vapor es un gas invisible generado por la adición de energía calorífica al agua en una caldera. Debe añadirse suficiente energía para elevar la temperatura del agua al punto de ebullición. La energía adicional sin ningún incremento más de la temperatura, convierte al agua en vapor. El vapor es un medio de transferencia de calor muy eficaz y fácilmente controlado. Se utiliza principalmente para transportar energía desde una ubicación central (caldera), a cualquier número de ubicaciones de una planta o fábrica, donde son utilizados para calentar aire, agua o aplicaciones de proceso.
1.1 Sustancia Pura, es la que tiene una composición química fija en cualquier parte, por ejemplo: el agua, el nitrógeno, el helio y el dióxido de carbono. Una sustancia pura no tiene que estar conformada por un solo elemento o compuesto químico, una mezcla de varios de estos también califica como sustancia pura siempre y cuando la mezcla sea homogénea. El aire, por ejemplo, es una mezcla de varios gases, pero con frecuencia se considera como sustancia pura porque tiene una composición química uniforme. (Ver Figura 1.1), sin embargo la mezcla de agua y aceite no es una sustancia pura, ya que el aceite no es soluble en agua por lo que se acumula en la superficie formando dos regiones químicamente diferentes. Una mezcla de dos o más fases de sustancia pura se sigue considerando una sustancia pura mientras la composición química de las fases sigan siendo las mismas.
El nitrógeno y el aire gaseoso son sustancias
pura
Una mezcla de agua líquida y gaseosa es una sustancia pura pero una mezcla de aire íquido
y gaseoso no lo es
Vapor Saturado. es un vapor puro a una temperatura que corresponde a la temperatura de ebullición del agua a la presión existente. Está a punto de condensarse, por lo tanto el estado 4 es un estado de vapor saturado y una sustancia entre los estados 2 y 4, a este se le conoce como vapor húmedo o mezcla saturada líquido - vapor, debido a que en estos estados las fases líquida y vapor coexisten en equilibrio.
Vapor Sobrecalentado. es un vapor que no está a punto de condensarse, es decir no es vapor saturado. En el estado 5 la temperatura del vapor es por ejemplo de
300 oC, si se transfiere algo de calor al vapor, la temperatura descendería un poco pero no habría condensación, mientras la temperatura permanezca arriba de los 100 °C, por lo tanto en agua en el estado 5 es un vapor sobrecalentado.
Diagrama T-v para el proceso calentamiento a presión constante
1.4 Vapor Flash, cuando el condensado caliente o el agua de la caldera, bajo presión, se libera a una presión inferior, parte de ella se reevaporiza, lo que se conoce como vapor flash.
Este vapor flash es importante porque contiene unidades de calor que se pueden reutilizar optimizando la economía en la planta, que de lo contrario lo desperdician.
Este se forma cuando el agua se calienta a presión atmosférica (1.013 bares), su temperatura aumenta hasta que alcanza a los 100 oC, temperatura a la que más alta
puede existir el agua a esta presión. El calor adicional no eleva la temperatura, sino que convierte el agua en vapor.
El calor absorbido por el agua al subir su temperatura hasta el punto de ebullición se
llama “calor sensible”, o calor de líquido saturado. El calor requerido para convertir agua en a punto de ebullición en vapor a la misma temperatura se llama latente”. Se determina por:
Donde:
Q1: Calor sensible en el condensado a la mayor presión antes de la descarga
Q2: Calor sensible en el condensado a la menor presión a la que se lleva a cabo la descarga
r: Calor latente en el vapor a la menor presión a la que el condensado se ha descargado
Porcentaje de vapor flash a la descarga de condensado a presion reducida en Psi y Bar
4
Mediante estos gráficos se puede calcular rápidamente el porcentaje de vapor flash, conociendo la contrapresión existente en las líneas de retorno de condensado, las unidades de medida son Psi y Bares. Se deberá considerar por cada metro de altura,
una contrapresión de 2.5 Psi.
La temperatura es el grado de calor sin implicación de la cantidad de energía
calorífica disponible.
1.5 Calor, medida de energía disponible sin implicación de la temperatura.
1.6 Presión diferencial, es la presión de la caldera o el cabezal de vapor, o a la salida de una válvula reguladora de presión, y la presión de la línea de retorno. Una
trampa de vapor debe ser capaz de abrir (descargar), venciendo esta presión
diferencial. (Ver Figura 1.5).
Presion Diferencial
Condensado de vapor de agua
Es un subproducto de la transferencia de calor en un sistema de vapor, se forma en el sistema de distribución debido a la inevitable radiación.
También se forma en equipos de calentamiento y de procesos como resultado de la deseable transferencia de calor desde el vapor a la sustancia calentada.
Una vez condensado el vapor y utilizado, su valioso calor latente debe eliminarse inmediatamente. Aunque el calor disponible en una libra de condensado es despreciable si se compara con una libra de vapor, el condensando sigue siendo agua caliente útil y debe volver a la caldera.
1.8 Drenaje en el sistema de distribución
El condensado que reposa en la parte inferior de las líneas de vapor puede ser la causa de golpes de ariete. El vapor que circula hasta 150 km por hora hace “olas” cuando pasa sobre su condensado (Figura), si se forma suficiente condensado, el vapor a alta velocidad lo empuja hacia adelante, creando agua condensada peligrosa que crece más y más a medida que recoge líquido frente a ella.
Cualquier cosa que cambie la dirección, accesorios de tuberías, válvulas reguladoras, soportes en T, bridas, puede ser destruida. Además del daño causado por este ariete, el agua a alta velocidad puede deteriorar accesorios al socavar las superficies metálicas.
Condensado en tuberías
Drenaje en una unidad de transferencia de calor
Cuando el vapor entra en contacto con condensado enfriado por debajo de la
temperatura del vapor, puede producir otro tipo de golpe de ariete, conocido como
choque térmico.
El vapor ocupa un mayor volumen que el del condensado y cuando se colapsa de repente, puede enviar ondas de choque por todo el sistema. Esta forma de golpe de ariete puede dañar equipos y es una señal de que el condesado no está siendo drenado fuera del sistema. (Figura 1.7).
Serpentín medio lleno de condensado no funciona a plena capacidad
Eliminar el aire y CO₂
El aire siempre está presente durante la puesta en marcha del equipo en el agua que
limita la caldera. El agua de alimentación también puede contener carbonatos
disueltos, que liberan gas dióxido de carbono. La velocidad del vapor empuja los
gases hacia las paredes de los intercambiadores de calor, donde pueden bloquear la transferencia de calor. Esto implica el drenaje del condensado, porque estos gases deben eliminarse junto con el condensado. (Figura 1.8).
Barreras potenciales para la transferencia de calor
Efecto del aire en la temperatura del vapor
Cuando el aire y otros gases entran en el sistema de vapor, consumen parte del volumen que ocuparía de otro modo el vapor. La temperatura de la mezcla (airevapor) cae por debajo de la del vapor puro. En la Figura 1.9 se explica el efecto del aire en las líneas de vapor. En la tabla 1 y la Figura 1.10 se muestran las diferentes
reducciones de temperatura causadas por aire a distintos porcentajes y presiones.
Efecto del aire en la transferencia de calor
El flujo normal de vapor hacia la superficie del intercambiador de calor arrastra aire y otros gases con él. Como no se condensan ni drenan por gravedad, esos gases no condensables forman una barrera entre el vapor y la superficie del intercambiador de calor. Las excelentes propiedades de aislamiento del aire reducen la transferencia de calor. De hecho, bajo determinadas condiciones, tan sólo del 1% por volumen de aire en el vapor puede reducir la eficacia de la transferencia de calor hasta un 50%.
Capa de aire que produce aislamiento térmico
Cuando los gases no condensables (principalmente aire) se continúan acumulando y no se eliminan, pueden llenar gradualmente el intercambiador de calor con gases y detener el flujo de vapor completamente. Entonces la unidad está “bloqueada por el aire".
Corrosión
Dos causas principales de la aparición de cal y de la corrosión son el dióxido de carbono (CO2) y el oxígeno (O2). El CO2 entra en el sistema como carbonatos disueltos en el agua de alimentación y, cuando se mezcla con condensado frío, crea ácido carbónico.
El ácido carbónico es extremadamente corrosivo y puede erosionar las tuberías y los intercambiadores de calor.
El oxígeno entra en el sistema como gas disuelto en el agua fría de alimentación.
Agrava la acción del ácido carbónico, acelerando la corrosión y erosión ando superficies de hierro y acero (Figura).
Tubería con oxígeno en el sistema
INSTALACIONES PARA VAPOR
Elementos básicos de un sistema de vapor
Los elementos básicos de vapor son el generador de vapor (caldera), el sistema de
distribución, los equipos de consumo de vapor y el retorno de condensado.
Todos los elementos del sistema interactúan entre sí. Si existe mal funcionamiento en
algunos de sus elementos la operación de todo el sistema de vapor será afectado con
importantes pérdidas de energía que provocan pérdidas económicas considerables.
- Generador de vapor: El corazón de todo el sistema de vapor, el generador de vapor, es un equipo de intercambio de energía desprendida por el combustible, de la reacción de combustión y el fluido de trabajo. Los generadores se clasifican en piro tubular y acuatubulares.
- Suministro de combustible: una vez pasado por procesos como Filtrado, calentamiento, dependiendo del estado del combustible sólido o líquido, para garantizar una combustión adecuada ingresa al quemador de la caldera.
- Suministro de agua: siendo el agua el fluido de trabajo más importante para la generación de vapor, esta debe ser pre-tratada y tratada de manera adecuada antes de ingresar al generador de vapor. El agua para la generación de vapor trata de evitar la corrosión y formación de precipitados en las superficies de transferencias de calor del generador.
- Sistemas de distribución de vapor: Es el encargado de trasportar el vapor desde el generador de vapor hasta los equipos de consumo.
- Colector de condensado: una vez que se produce el intercambio energético según el proceso requerido, el vapor se condensa y retorna para que se cierre el ciclo.
- Es necesario resaltar que el condensado es agua destilada tratada, con un contenido energético importante y por lo tanto hay que recolectarla para volver al ciclo de generación de vapor. La recuperación de condensado puede ahorrar de 20 a 25 % de los costos de generación de la planta.
elemento básico de un sistema de vapor
Elementos principales de un sistema básico de vapor:
- Caldera
- Distribuidor
- Líneas principales y ramales de vapor
- Equipos de consumo de energía (vapor)
- Líneas de retorno y recuperación de condensado
- Trampas para vapor
Trampas para vapor
Una trampa de vapor eficiente reduce el consumo de energía, lo que significa que se
quema menos combustible reduciendo las emisiones.
El resultado es un ahorro energético y un entorno más limpio y más saludable, al
ayudar a las empresas a gestionar la energía, las trampas de vapor contribuyen a proteger el mundo que todos compartimos.
A medida que una trampa de vapor se va desgastando, pierde eficiencia y empieza a
mal gastar la energía, pero las trampas de vapor de balde invertido duran varios años,
más que otras modelos.
El trabajo de la trampa de vapor es sacar el condensado, aire, y CO2, del sistema tan pronto como se acumula. Además, por eficacia global y economía, la trampa de vapor también debe proporcionar:
- Mínima pérdida de vapor
- Larga vida útil
- Resistencia a la corrosión
- Purga de aire
- Purga de CO₂
- Vencer la contrapresión
- Capacidad de expulsar suciedad
Clasificación de Trampas de vapor
Trampa para Vapor de Balde Invertido
La trampa de vapor de Balde Invertido sumergido, es un purgador mecánico que
trabaja a partir de la diferencia de densidad entre vapor y agua (Figura 2.20). El vapor que entra en la cubeta invertida sumergida hace que la cubeta flote y cierre la válvula de descarga. El condensado que entra en la trampa de vapor reduce la flotabilidad de la cubeta, que se hunde y tira de la válvula de la trampa de vapor para descargar el condensado.
A diferencia de otras trampas de vapor mecánicos, la cubeta invertida también purga aire y dióxido de carbono continuamente a temperatura de vapor. Este simple principio de extracción del condensado fue presentado por Armstrong en 1911, Años de mejoras en materiales y fabricación ha convertido a las actuales trampas de vapor de cubeta invertida Armstrong en prácticamente incomparables en cuanto a eficacia de funcionamiento, fiabilidad y duración. Las trampas de vapor de Balde Invertido cumple con las siguientes características:
- Larga vida de servicio eficaz desde el punto de vista energético
En el corazón de la trampa de Balde Invertido hay un sistema de palanca exclusivo que multiplica la fuerza proporcionada por la cubeta para abrir la válvula frente a la presión. No hay pivotes filos que puedan desgastarse o crear fricción. Esta diseñado para abrir el orificio de descarga hasta la capacidad máxima. Como la cubeta se abre en la parte inferior es resistente al daño por golpe de ariete. Los puntos de desgaste están muy reforzados para asegurar una larga vida útil. Una trampa de vapor de cubeta invertida Armstrong puede seguir conservando
la energía, incluso en presencia de desgaste. El desgaste gradual aumenta ligeramente el diámetro del asiento y altera la forma y el diámetro de la válvula esférica. Pero mientras esto ocurre, la esfera simplemente se asienta más profundamente, manteniendo un sello ajustado.
Funcionamiento del purgador de vapor de
Cubierta Invertida o Balde Invertido
Parámetros de diseño para Trampa de vapor Balde Invertido
Trampa para Vapor de Flotador y Termostato
La trampa de vapor de boya y termostático es una trampa mecánica, cuyo funcionamiento se basa en principios de densidad y temperatura. La válvula de boya
funciona según el principio de densidad: una palanca conecta la boya con la válvula y
asiento. Una vez que el condensado alcanza un cierto nivel en la trampa, la boya sube, abre el orificio y drena el condensado. Un sello de agua formado por el condensado evita pérdida de vapor vivo. Como la válvula de descarga está sumergida, no es capaz de ventear aire o gases no condensables. Cuando la acumulación de aire y gases no condensables produce una disminución significativa de la temperatura, un venteador termostático de aire, situado en la parte superior de la trampa de vapor los
descarga. El venteador termostático se abre a una temperatura algunos grados inferior
a la de saturación y de ese modo puede manipular un gran volumen de aire (a través de un orificio totalmente separado), pero a una temperatura ligeramente reducida. Las trampas de vapor F&T proporcionan alta capacidad de venteo de aire, responden
inmediatamente al condensado y son adecuados para aplicaciones industriales.
Las trampas de vapor de Flotador y Termostato cumplen con las siguientes
características:
1. Funcionamiento fiable bajo presión de vapor regulada
Presión de vapor regulada significa que la presión de la unidad de intercambio de calor que se drena, puede bajar en cualquier parte desde la máxima presión de suministro de vapor hasta vacío, bajo determinadas condiciones. Así, bajo condiciones de presión cero, sólo está disponible la fuerza de gravedad para empujar el condensado a través de un purgador de vapor.
2. Función a alta Contrapresión
La contrapresión no tiene efectos adversos sobre el funcionamiento de la trampa de vapor de boya y termostático excepto la reducción de capacidad debido al bajo diferencial. La trampa de vapor no tendrá fallos al cerrar y no inyectará vapor debido a la alta contrapresión.
Trampa para vapor termodinamica o de disco
La trampa de vapor termodinámico es un dispositivo temporizado que funciona según
el principio de velocidad. Sólo contiene una pieza móvil, el mismo disco. Como es muy ligero y compacto, la trampa de disco satisface de muchas aplicaciones donde el espacio es limitado. Además de la sencillez de la trampa de vapor de disco y de su pequeño tamaño, también ofrece ven
tajas como resistencia al golpe de ariete, descarga completa de todo el condensado cuando está abierto y funcionamiento intermitente para una acción de purga regular. Las trampas de vapor Termodinámicas o de disco cumplen con las siguientes características:
- Cámara de calentamiento exclusiva
La cámara de calentamiento exclusiva de las trampas de vapor termodinámica Armstrong rodea el cuerpo del disco y la cámara de control. Una purga controlada de la cámara hacia la salida de la trampa de vapor controla la tasa del ciclo. Eso significa que el diseño de la trampa de vapor, y no las condiciones ambientales, controla la tasa del ciclo. Sin esa función de control, la lluvia, la nieve y las condiciones de ambiente frío alterarían la tasa del ciclo de la trampa de vapor.
Trampa para Vapor Termostática
Estas trampas de vapor se utilizan en aplicaciones con cargas muy ligeras de
condensado. Las trampas de vapor Termostáticas cumplen con las siguientes
características:
1. Funcionamiento termostático
Las trampas de vapor termostáticos trabajan a partir de la diferencia de temperatura
entre vapor y condensado y aire frío. El vapor aumenta la presión dentro del elemento termostático, causando el cierre del purgador.
Cuando el condensado y los gases no condensables retroceden en el pozo de
enfriamiento, la temperatura empieza a caer y el elemento termostático se contrae y abre la válvula.
La cantidad de condensado acumulado delante de la trampa de vapor depende de las condiciones de carga, presión de vapor y tamaño de las tuberías.
Es importante tener en cuenta que puede producirse una acumulación de gases no
condensables detrás del condensado acumulado.
Trampa para Vapor Bimetálico
La trampa de vapor bimetálico funciona según el principio de temperatura, usando dos capas de elementos bimetálicos que tienen coeficientes de expansión diferentes.
Si están fríos, los elementos bimetálicos son planos. Cuando la temperatura empieza a
subir, los elementos se expandirán de forma diferente y se curvarán.
El vástago conectado a esos elementos mueve una válvula hacia una posición de
abierto o cerrado. Las trampas de vapor bimetálicos cumplen las siguientes
características:
- En la puesta en marcha, la temperatura es baja y los elementos bimetálicos son planos. Se abre la válvula y el condensado y el aire se descargan a través del purgador.
- Cuando el vapor llega a la trampa de vapor, aumenta la temperatura y los elementos bimetálicos se expanden. La válvula se cerrará y la trampa de vapor detiene la descarga hasta que se acumula suficiente condensado más frío y la temperatura disminuye.
Funcionamiento de la Trampa de Vapor Bimetálico
Instalación y montaje de una Trampa para vapor
ABC para una trampa de vapor:
A:accesible para ser inspeccionada y ser reparada.
B:bajo del punto de drenado, siempre que sea posible.
C:cerca del punto de drenado.
Una trampa de vapor debe montarse con los siguientes aditamentos:
- Válvula de cierre antes de la trampa.
- Válvula de cierre en la tubería de descarga de condensado de la trampa.
- Filtro antes de la trampa.
- Colector de suciedad para detener óxidos.
- Válvula de prueba (en reemplazo de visores).
Montaje recomendado de trampeo para cualquier tipo de trampa de vapor
Válvula check en la tubería de descarga
Las válvulas check evitan que se tenga un contra flujo y al mismo tiempo aíslan a la
trampa cuando la válvula de prueba está abierta.
Instalación de válvula check a la descarga
Métodos del funcionamiento de trampas de vapor
En la mayoría de las empresas la energía consumida por la industria se emplea para
general vapor, pero buena parte del vapor producido se pierde a través de fugas del
sistema de distribución de vapor, incluyendo tuberías, válvulas y trampas de vapor.
De la experiencia de auditorías energéticas se tiene que en plantas donde no existe un
control regular del estado de las trampas de vapor, es común encontrar porcentajes
entre un 30 y 65 %e las mismas que no funcionen de manera adecuada. Incluso en
plantas donde existe un buen programa de mantenimiento estos porcentajes se sitúan
entre un 5 y 10%.
El porcentaje anual de trampas de vapor con mal funcionamiento en los Estados Unidos es de 20%, de acuerdo con Armstrong, fabricante internacional reconocido de
elementos para sistemas de vapor.
Existen cuatro métodos de inspección de las trampas de vapor:
- Visual: Se fundamenta en la observación de la descarga de las trampas de vapor, cuando esta se realiza a la atmosfera, es decir, cuando existe recuperación de condensado. El inspector de trampas de vapor deberá reconocer entre vapor flash o revaporizado, que es característico en el funcionamiento de los purgadores, y vapor vivo, presente cuando la trampa falla en posición abierta.
- Acústico: Mecanismos dentro de las trampas de vapor, flujo de vapor y condensado a través de las trampas generan sonidos audibles para el oído. humano por medio de estetoscopios y supersónicos verificables mediante el empleo de equipos especiales. El detector ultrasónico de trampas de vapor consiste en una sonda de contacto o receptor de ultrasonidos, un convertidor de señales que convierte las señales de ultrasonido en impulsos eléctricos con amplificadores, filtros y convertidor de la señal en sonido audible. Resulta extremadamente útil para realizar diagnósticos precisos del funcionamiento de las trampas de vapor, especialmente cuando el equipo consta de un almacenador de datos que permite su análisis en un ordenador mediante diagramas de nivel de presión sonoro versus tiempo. Los diferentes tipos de trampas de vapor producen diferentes sonidos en su operación. Un operador puede ser entrenado para reconocer estos sonidos.
- Electrónico: este método consiste en la utilización de sensores electrónicos para medir la conductividad del condensado en una cámara que se instala antes de la trampa de vapor.
- Térmico: la medición de la temperatura de la trampa de vapor es considerado el método menos confiable para la inspección de trampas de vapor, porque vapor saturado y condensado tienen la misma temperatura, por lo tanto es difícil diferenciar cuando la operación de la trampa es adecuada o no. Aunque la información que provee este método es relevante, especialmente cuando la trampa falla en posición cerrada su temperatura será mayor por acumulación de condensado.
Tuberías para vapor y retorno de condensado
La tubería o cañería es un conducto que cumple la función de transportar agua u otros fluidos. Se suele elaborar con materiales muy diversos. Las tuberías pueden ser de dos tipos: (Anexo 2)
- Sin costura (sin soldadura): La tubería es un lingote cilíndrico el cual es calentado en un horno antes de la extrusión. En la extrusión se hace pasar por un dado cilíndrico y posteriormente se hace el agujero mediante un penetrador. La tubería sin costura es la mejor para la contención de la presión gracias a su homogeneidad en todas sus direcciones. Además es la forma más común de fabricación y por tanto la más comercial.
- Con costura longitudinal: Se parte de una lámina de chapa la cual se dobla dándole la forma a la tubería. La soladura que une los extremos de la chapa doblada cierra el cilindro. Por tanto es una soldadura recta que sigue toda una generatriz. Variando la separación entre los rodillos se obtienen diferentes curvas y con ello diferentes diámetros de tubería. Esta soldadura será la parte más débil de la tubería y marcará la tensión máxima admisible.
Normas para tubería de vapor
- NORMA ASME/ASTM A53 (Tubería de acero soldada y sin costura, negra y de inmersión en caliente, con recubrimiento de zinc de acuerdo al estándar ASTM A 53/A 53M)
La Tubería bajo esta especificación se suministra sin costura y soldada con
acabado superficial negro y galvanizado en caliente en diámetro desde 1/8 pulgadas (3.18mm) a 26 pulgadas (660.40mm). Entre tipos y grados de tubería tenemos:
- Tipo F: Soldada a tope en alto horno, soldadura continua grado A
- Tipo E: Soldada con resistencia eléctrica (ERW), grados A y B
- Tipo S: Sin costura, Grados A y B.
Aplicaciones:
La tubería A-53 está destinada a aplicaciones mecánicas y de presión y también es aceptable para usos ordinarios en la conducción de vapor, agua, gas, y las líneas
de aire. Este tipo de tubería es apta para ser soldada, así como para operaciones de formado tales como roscado y abridamiento.
- NORMA ASME/ASTM A106 (Tubería de acero al carbono sin soldadura para alta temperatura de servicio de acuerdo al estándar ASTM A-106)
Tubería bajo esta especificación se suministran en diámetros desde 1/8 pulgadas (3.18mm) a 48 pulgadas (1,219.20mm) de espesor de pared nominal (promedio) de acuerdo al ANSI B 36.10.Tubos bajo esta especificación están disponibles en
cualquiera de los siguientes grados: grado A, grado B y grado C.
Aplicaciones:
La tubería A-106 es apta para el plegado, abridamiento, operación, roscado, y soldada.
Comúnmente las tuberías tienen las siguientes características:
Largo nominal: 6.1 m / 5.80 m
Recubrimientos: negro, galvanizado, aceitado, barnizado y pintado
Terminación extremos: Biselado, roscado, ranurado
Pruebas Hidrostáticas: 100 % según norma ASTM – 106
Espesor: ± 12.5% nomina
Peso: + 10% y – 3.5%
Longitud: -10 mm + 25 mm (5.8 – 6.1) m
Accesorios de Tuberías
En todo sistema de tuberías se hacen presentes los siguientes elementos como codos, tés, bridas, válvulas, empaques entre otros, tomando en cuenta las especificaciones según el desarrollo del diseño de los proyectos. Entre los más comunes tenemos:
- Codos: Son elementos de uso común de dos tubos de diámetro nominal, igual o diferente, para dar un giro a la tubería en un determinado ángulo. Denominación: Angulo, Diámetro, Tipo de Radio. (Sch o Rating), Extremos, Material.
- Tee Recta: Son elementos que comúnmente el diámetro nominal de entrada es igual que el de salida, se utiliza para derivar tendido de tuberías secundarias. Denominación: Diámetro, (Sch o Rating), Extremos, Material.
- Tee Reductora: Al igual que las tees rectas pero con la diferencia que el tendido de tubería secundaria que al derivar se lo hace con diámetro nominal reducido o inferior al nominal, según el diseño del proyecto. Denominación: Diámetro, (Sch o Rating), Extremos, Material.
- Reducciones: Elementos útiles para estrangular o expandir el fluido, según su aplicación. Denominación: Tipo, diámetros, extremos, (Sch o Rating), Material
- Bridas: Son accesorios para conectar tuberías con equipos (Bombas, intercambiadores de calor, calderas, tanques, etc.) o accesorios (codos, válvulas, etc.). La unión se hace por medio de dos bridas, en la cual una de ellas pertenece a la tubería y la otra al equipo o accesorio a ser conectado. La ventaja de las uniones bridadas radica en el hecho de que por estar unidas por espárragos, permite el rápido montaje y desmontaje a objeto de realizar reparaciones o mantenimiento.
- Válvula de Compuerta: Las compuertas de disco, actuadas por un husillo, se mueven perpendicularmente al flujo. El disco asienta en dos caras para cerrar. Se usa cuando se requiere frecuente cierre y apertura. No es práctica para estrangulamiento de la vena fluida porque causa erosión en los asientos de la válvula y vibraciones. La bolsa en el fondo de la válvula puede llenarse de depósitos impidiendo el cierre.
- Válvula de Globo: El disco situado en el extremo del husillo asienta sobre una abertura circular. El flujo cambia de dirección cuando pasa por la válvula. Buena para producir estrangulamiento debido a la resistencia que presenta al flujo. Produce menor pérdida de carga y turbulencia, es más indicada para servicio corrosivo y erosivo. No es recomendada para servicios de frecuente cierre y apertura.
- Válvula de Retención, oscilante, check o de bisagra: el flujo mantiene abierto el cierre a bisagra y el flujo en sentido opuesto la cierra. La del tipo basculante con el pivote en el centro evita el golpe al cerrar. Se utilizan contrapesos externos, en los tipos estándar, para proveer una mayor sensibilidad para los cambios de sentido en el flujo. Se usa cuando sea necesario minimizar la pérdida de carga. Es mejor para líquidos y para grandes tamaños.
Se muestra algunos ejemplos de elementos o accesorios para tuberías tanto de suministro y/o retorno de condensado.
Accesorios básico para instalaciones en tuberías
INSTALACIONES DE VAPOR
Los sistemas de distribución de vapor enlazan las calderas y el equipo que usa
realmente el vapor, transportándolo a cualquier lugar de la fábrica donde se necesite su energía calorífica. Los tres componentes principales de los sistemas de distribución de vapor son colectores de caldera, líneas principales de distribución de vapor y ramales. Cada uno de ellos satisface ciertos requisitos del sistema y, junto con los
separadores de vapor y las trampas de vapor, contribuye al uso eficaz del vapor.
- Pozos de goteo
Resulta común para todos los sistemas de distribución de vapor la necesidad de pozos
de goteo a diversos intervalos (Fig. CG-24-1). Se proporcionan para:
- Retener el condensado por gravedad desde el vapor en rápido movimiento.
- Almacenar el condensado hasta que el diferencial de presión pueda descargarlo a través del purgador de vapor.
Dimensionamiento del pozo de goteo
El pozo de goteo dimensionado adecuadamente capturará el condensado. Un pozo de goteo demasiado pequeño puede causar realmente un efecto venturi de aspiración, donde la caída de presión sacará el condensado del purgador.
Figura retención de condensado por medio de pata de goteo
Dimensiones de Pozo de Goteo
Toma para alimentación de vapor
Todas las tomas de tuberías de vapor deben ser por la parte superior, debido a que si es tomado por la parte inferior o lateral, lo que se va a tomar es vapor y condensado depositado en la parte inferior de la tubería.
Toma de alimentación de vapor (cuello de ganso)
Colectores de caldera
Un colector de caldera es un tipo especial de línea principal de distribución de vapor que puede recibir vapor de una o más calderas. Es más frecuente una línea horizontal alimentada desde arriba y que a su vez alimenta las líneas de distribución principales.
Es importante purgar el colector de la caldera adecuadamente para asegurar que se elimine cualquier arrastre (agua de caldera y sólidos) antes de la distribución en el sistema.
Las trampas de vapor que se utilicen para este colector, deben ser capaces de descargar cantidades de agua condensada tan pronto como se produzca. La resistencia al golpe de ariete también debe considerarse en la selección de trampas de vapor.
Selección de trampa para vapor (sólo vapor saturado)
- Cabezal o Distribuidor de vapor
Se recomienda un factor de seguridad de 1.5:1 (Anexo 3) para virtualmente todas las
aplicaciones de colector de caldera. La capacidad de la trampa de vapor requerido se determina por:
Capacidad requerida trampa de vapor = Factor de seguridad x Carga conectada a la caldera(s) x Arrastre de agua previsto (normalmente 10%).
Capacidad de responder inmediatamente a la llegada de condensado, excelente
resistencia al golpe de ariete, posibilidad de manipular suciedad y funcionamiento
eficaz con cargas muy ligeras son características que hacen que la trampa de vapor de balde invertido sea la trampa de vapor más adecuado para esta aplicación.
Líneas principales
Uno de los usos más comunes de las 6 trampas de vapor es la purga de las líneas de distribución principales de vapor. Esas líneas deben mantenerse libres de aire y
condensado para que el equipo que utiliza vapor siga funcionando adecuadamente. La
purga inadecuada de las líneas de distribución principales de vapor a menudo
conlleva golpe de ariete y agua condensada que pueden dañar válvulas reguladoras y
otros equipos.
Hay dos métodos utilizados para el calentamiento de las líneas de distribución
principales de vapor: supervisado y automático. El calentamiento supervisado se
utiliza ampliamente para el calentamiento inicial de líneas de gran diámetro y/o
longitud.
El método sugerido para las válvulas de purgas supervisadas es abrirlas
completamente para que haya soplo libre a la atmósfera antes de admitir vapor en la
tubería principal. Esas válvulas de purga supervisadas no se cierran hasta que todo o
la mayor parte del condensado calentado se ha descargado.
Se pueden calcular cargas de condensado en tuberías aisladas o sin aislar para el método de calentamiento supervisado o para el automático se determina por:
Qc = Cantidad de condensado en kg/h
WP = Peso de la tubería en kg/m (consulte la tabla CG-25-2)
T1 = Longitud total de la línea de vapor en m
c = Calor específico del material de la tubería en kJ/kg/°C (tubería de acero = 0,48 kJ/kg/°C)
t2 = Temperatura final en °C
t1 = Temperatura inicial en °C
r = Calor latente en kJ/kg (consulte Tablas de vapor, columna 5 en la página CG-10)
h = Tiempo en minutos para la puesta en marcha
NOTA: para cálculos rápidos, t1 puede tomarse como 0°C y r puede fijarse en 2.100
kJ/h.
Para determinar rápidamente la carga de condensado durante el calentamiento de una línea de distribución principal de vapor, tabla 1.11. Cuando se encuentra la cifra
correcta, se multiplica por un factor de seguridad de 2 (factor de seguridad
recomendado para todas las trampas de vapor ubicados entre la caldera y el extremo
de la línea principal).
Para la tabla de condensación en funcionamiento normal (después del calentamiento), se utiliza la tabla 1.10.
Taza de condensación en kg/h/m
Purga de intercambiadores de calor de carcasa y tubo y serpentines
sumergidos
Los serpentines sumergidos son elementos de transferencia de calor sumergidos en el
líquido que se va a calentar, evaporar o concentrar. Este tipo de bobina se encuentra
virtualmente en cada fábrica o institución que utiliza vapor. Ejemplos típicos son los
calentadores de agua, reboilers, calentadores de succión, evaporadores y vaporizadores. Se utilizan para calentar agua de uso en procesos o doméstico; vaporizar gases industriales como propano y oxígeno; concentrar fluidos en curso como azúcar, licor negro y petróleo; y calentar fuel para facilitar la transferencia y atomización. Distintos requisitos de aplicación incluyendo presión de vapor constante o variable determinan el tipo de trampa de vapor que debe utilizarse. Entre los factores de selección de trampas de vapor se incluyen la capacidad de manipular aire a bajas presiones diferenciales, la conservación de energía y la eliminación de suciedad y agua condensada. Tres métodos estándar de dimensionamiento ayudarán a determinar las trampas de vapor de tipo y tamaño adecuados para los serpentines.
Purga de Intercambiadores de calor de carcasas y tubos
Un tipo de serpentín sumergido es el intercambiador de calor de carcasas. En esos intercambiadores se instalan numerosos tubos en un bastidor o carcasa con área libre cerrada. Esto garantiza el contacto de los tubos con el fluido que se encuentra en la
carcasa. Aunque el nombre serpentín sumergido implica que el vapor está en los
tubos y éstos están sumergidos en el líquido que se calienta, lo inverso también puede
ocurrir, cuando el vapor está en la carcasa y hay un líquido en los tubos
Intercambiadores de calor de carcasas y tubos
Selección de trampa de vapor para intercambiadores de calor de carcasas
y tubos
Para determinar la carga de condensado en calentadores de carcasa y tubos, utilizamos la siguiente fórmula cuando se conoce la potencia real.
(Sí sólo se conocen las dimensiones de la bobina de calentamiento, utilizamos la
fórmula que se muestra en serpentines de placas. Asegúrese de seleccionar el factor
"k"):
Donde:
Qc = Carga de condensado en kg/h
m = Flujo líquido en l/min
∆t = Aumento de temperatura en °C
c = Calor específico del líquido en kJ/kg/°C
(Tabla CG-60-1, página CG-60)
60 = 60 min/h
s.g.= Gravedad específica del líquido
(Tabla CG-60-1, página CG-60)
r = Calor latente de vapor en kJ/kg (consulte Tablas de vapor, columna 5 en la página
CG-10)
Selección de trampa de vapor para serpentines de tubo
Puede determinar la carga de condensado para serpentines de tubo si aplica una de las
fórmulas, dependiendo de los datos que se conozcan. Si se conoce la capacidad, utilice la fórmula que hay bajo los intercambiadores de carcasa y tubos. Cuando se conocen las dimensiones físicas del serpentín, utilice la fórmula que hay bajo los serpentines de placas.
Recomendaciones
Purga de evaporadores
Los evaporadores reducen el contenido de agua de un producto mediante el uso de
calor. Son muy comunes en muchas industrias, especialmente papel, alimentación, textil, química y acero.
Un evaporador es un intercambiador de calor de carcasa y tubos en el que el vapor
está normalmente en la carcasa y el producto en los tubos y en movimiento. Según el tipo de producto y los resultados deseados, puede ser necesaria más de una etapa o efecto de evaporación. El efecto triple es el más habitual, aunque pueden encontrarse hasta cinco o seis en algunas aplicaciones.
• Simple efecto
Mientras se fuerza el producto a través de los tubos del evaporador, se añade calor
para eliminar una cantidad específica de humedad. Tras completar esto, el vapor del
producto y el producto concentrado son forzados hacia la cámara de separación
donde extrae el vapor y puede utilizarse en otro sitio. Después se bombea el concentrado a otra parte del proceso (Fig. 2.16).
• Múltiple efecto
Al utilizar el método de múltiple efecto hay una conservación de calor como vapor de la caldera que se utiliza en el primer efecto y el vapor generado del producto se utiliza como fuente de calor en el segundo efecto. El vapor generado aquí se utiliza entonces como fuente de calor del tercer efecto y, finalmente, calienta agua para algunos otros procesos o precalienta el suministro de entrada (Fig. 2.17).
Hay muchas variables en el diseño de los evaporadores, debido a su amplia aplicación
a muchos productos diferentes.
La capacidad de vapor de los evaporadores puede variar de aproximadamente 500 kg/h a 50.000 kg/h, en tanto que las presiones de vapor pueden variar desde un alta 10 barg en el primer efecto a una baja de 60 cm de vacío en el último efecto.
Debido a que los evaporadores se activan habitualmente de forma continua, hay una
carga uniforme de condensado para manipular. Es importante recordar que los
purgadores deben seleccionarse para el diferencial de presión real de cada efecto.
Las tres principales consideraciones al purgar evaporadores son:
- Grandes cargas de condensado.
- Bajos diferenciales de presión en algunos efectos.
- Evacuación de aire y contaminantes.
Selección de Trampas de vapor para evaporadores
Cuando se calcula la carga de condensado para evaporadores, se debe tener cuidado
al seleccionar el valor k (kJ/h.m2.°C). Como regla general, pueden utilizarse los siguientes valores de k:
- 5.860 para evaporadores de circulación natural con vapor a baja presión (hasta 2 barg)
- 10.050 en circulación natural con alta presión (hasta 3 barg)
- 15.070 con evaporadores de circulación forzada
Se utiliza la siguiente fórmula para calcular la transferencia de calor de los intercambiadores de calor de flujo continuo con presión de vapor constante.
H= a x k x ∆tm
.... Ecuación 1.5
Donde:
H = Calor total transferido en kJ/h
A = Área de superficie exterior de la bobina en m2
k = Tasa global de transferencia de calor en kJ/h.m2.°C
∆tm= Diferencia logarítmica de temperatura media entre vapor y líquido (igual que entre la entrada y la salida de un intercambiador de calor) en °C
Donde:
∆t1 = diferencia de temperatura más grande
∆t2 = diferencia de temperatura más pequeña
La diferencia logarítmica de temperatura media puede estimarse utilizando la Tabla1.13.
Líneas de traceado de vapor
Las líneas de traceado de vapor están diseñadas para mantener el fluido en una
tubería principal a una determinada temperatura uniforme. En la mayoría de casos, esas líneas de traceado se utilizan en exteriores, lo que hace que las condiciones
meteorológicas sean una consideración crítica.
El propósito principal de las trampas de vapor en líneas de traceado es retener el
vapor hasta que su calor latente es totalmente utilizado y después descargar el
condensado y los gases no condensables. Igual que pasa con cualquier pieza del
equipo de transferencia de calor, cada línea de traceado debe tener su propio purgador. Incluso aunque puede haber instaladas varias líneas de traceado en la misma línea de fluido principal, se requiere purgar la unidad para evitar corto circuitos.
Al seleccionar y dimensionar trampas de vapor, es importante considerar su
compatibilidad con los objetivos del sistema, ya que las trampas de vapor deben:
- Conservar energía al funcionar fiablemente durante un largo período de tiempo.
- Proporcionar descarga periódica brusca con el objetivo de purgar el condensado y el aire de la línea.
- Funcionar bajo condiciones de carga ligera.
- Resistir daños por congelación si el vapor se detiene.
Selección de trampa de vapor para líneas de traceado de vapor
La carga de condensado que se va a manipular en una línea de traceado de vapor puede determinarse a partir de la pérdida de calor de la tubería de productos,
utilizando la siguiente fórmula:
Qc = Carga de condensado en kg/h
k = Pérdidas de calor de tuberías aisladas en kg/h/m2 L = Longitud de la tubería
principal en metros
S = Superficie exterior de la tubería en m2lm
r = Calor latente en kJ/kg
Recomendaciones Tracer
Equipos con camisa
Los equipos con camisa de vapor son esencialmente cocinas o concentradores. Se
encuentra en todas partes de mundo y en casi cada tipo de aplicación: industria
cárnica, elaboración de papel y azúcar, transformación, procesamiento de frutas y
vegetales y preparación de alimentos, por mencionar unos pocos.
Básicamente existen dos tipos de equipos con camisa de vapor: drenaje fijado por
gravedad y drenaje basculante por sifón. Cada tipo requiere un método especializado
para purgar el vapor, aunque los principales problemas asociados son comunes a los dos.
El problema más significativo encontrado es el aire atrapado en la camisa de vapor,
que afecta adversamente a la temperatura. Los equipos con camisa realizan
normalmente operaciones por lotes y mantener una temperatura uniforme o "cocción" es fundamental. Con una cantidad excesiva de aire, se producen amplias variaciones en la temperatura y puede tener como resultado que se queme el producto y/o se ralentice la producción. Para ser más específico, bajo ciertas condiciones de
cantidades tan pequeñas como 1/2 de 1% por volumen de aire en el vapor puede formar una película aislante en la superficie de transferencia de calor y reducir la eficacia hasta el 50%.
Una segunda preocupación básica en el uso de equipos con camisa de vapor es la necesidad de una eliminación completa y regular del condensado. La acumulación de
condensado en la camisa induce a un control de temperatura poco fiable, reduce la salida del equipo y produce golpes de ariete.
• Selección de trampa de vapor para equipos con camisa
La capacidad de la trampa de vapor requerida para equipos puede determinarse
usando la siguiente fórmula:
Donde:
Qc = Cargas de condensado en kg/h
k = Tasa de transferencia de calor en kJ/h.m2
.°C
A = Área en m2
∆t = Aumento de temperatura del líquido en °C
r = Calor latente del vapor en kJ/kg
Recomendaciones camisa
Instalación básica de camisa
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