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Errores Típicos en el Diseño y Operación de los Sistemas de Vapor Saturado en las

Plantas Industriales

Carlos E. Garza

VMX Confiabilidad Integrada SA de CV

¿Qué es el vapor de agua?

El vapor de agua es el gas formado cuando el agua pasa de unestado liquido a uno gaseoso. A un nivel molecular esto escuando las moléculas de H2O logran liberarse de las uniones (ej.Uniones de hidrógeno) que las mantienen juntas. Estasmoléculas "libres" forman el gas transparente que nosotrosconocemos como vapor, o mas especifico vapor seco.

Vapor Húmedo Vs Vapor Seco

En industrias usuarias de vapor, existen dos términos para elvapor los cuales son, vapor seco (también conocido como "vaporsaturado") y vapor húmedo.

– Vapor seco aplica a vapor cuando todas sus moléculas permanecen enestado gaseoso.

– Vapor húmedo aplica cuando una porción de sus moléculas de aguahan cedido su energía (calor latente) y el condensado forma pequeñasgotas de agua.

El Vapor Saturado como Fuente de Calentamiento

El calentamiento indirecto de vapor se refiere a los procesos endonde el vapor no entra en contacto directo con el producto acalentar. Es ampliamente utilizado en la industria ya que proveeun calentamiento rápido y parejo. Este método generalmenteutiliza un intercambiador de calor para calentar el producto.

Ventajas de Usar Vapor Saturado para Calentamiento

El vapor saturado tiene varias propiedades que lo hacen unagran fuente de calor, particularmente a temperaturas de 100 °C(212°F) y mas elevadas. Algunas de estas son:

Propiedad Ventaja

Calentamiento equilibrado a través de la transferencia de calor latente y Rapidez

Mejora la productividad y la calidad del producto

La presión puede controlar la temperaturaLa temperatura puede establecerse rápida y precisamente

Elevado coeficiente de transferencia de calor

Área de transferencia de calor requerida es menor, permitiendo la reducción del costo inicial del equipo

Se origina del agua Limpio, seguro y de bajo costo

Consideraciones al Usar Vapor Saturado como Fuente de Calentamiento

• La eficiencia de calentamiento se puede ver reducida si se usa un vapor diferenteal vapor seco para los procesos de calentamiento. Contrario a la percepcióncomún, virtualmente no todo el vapor generado en una caldera es vapor seco, sinovapor húmedo, el cual contiene algunas moléculas de agua no vaporizadas.

• La perdida de calor por radiación ocasiona que una parte del vapor se condense.Por lo tanto el vapor húmedo generado se vuelve aun mas húmedo, y también seforma mas condensado, el cual debe ser removido al instalar trampas de vapor enlas locaciones apropiadas.

• El Condensado, el cual es mas pesado, caerá del flujo de vapor y puede serremovido a través de piernas de condensado y trampas de vapor. Sin embargo, elvapor húmedo que es arrastrado reducirá la eficiencia de calentamiento, y deberáser removido por medio de estaciones de separación en el punto de uso o en ladistribución.

• El vapor que incurre en perdidas de presión debido a exceso de fricción en latubería, etc., podría resultar también en su correspondiente perdida entemperatura.

La Importancia del Porcentaje de Secado

¿Sabía usted que las calderas no generan vapor 100% saturado (vapor seco)? Cuando una calderacalienta el agua, las burbujas que rompen la superficie del agua incorporan pequeñas gotitas deagua en la corriente de vapor. A menos que se use un sobrecalentador, esto causará que el flujode vapor esté parcialmente húmedo (vapor húmedo) debido a la presencia de líquido.

Mientras el vapor sea más húmedo, serán menores su volumen, entalpía y entropía específicosporque al 100% de porcentaje de sequedad se tiene el valor de tablas. Como la sequedad delvapor tiene un efecto significativo en estos valores, para tener la mayor eficiencia decalentamiento es crucial suministrar vapor lo más cercano al 100% de sequedad.

La Sequedad del Vapor Disminuye durante su Distribución

Al transportar el vapor, las pérdidas por radiación de la tubería causan que parte delvapor pierda su calor latente y se convierta en agua, por tanto, disminuyendo lasequedad del vapor.

El calor latente contenido en el vapor se libera en el instante en que el vapor secondensa hacia la fase líquida. La cantidad de calor latente entregado es de 2 - 5 vecesmayor que la cantidad de calor sensible contenido en el agua caliente (agua saturada)después de la condensación. Este calor latente se libera instantáneamente y setransfiere por medio del intercambiador de calor al producto que se está calentando.

Las Mejores Practicas para la Remoción de Condensado en las Líneas Principales

El rol de las líneas de distribución de vapor es el de suministrar de maneraconfiable vapor de la mas alta calidad a los equipos usuarios de vapor. Paraque esto se pueda realizar, es necesario remover el condensado de manerarápida y eficiente por medio de trampas de vapor instaladas en locaciones dedescarga de condensado adecuadas.

Una remoción eficiente de condensado debe de considerar al menos lo siguiente:

• Cuidadosa selección de la ubicación de las trampas de vapor.

• Proveer un adecuado soporte e inclinación a la tubería de vapor.

• Configurar las piernas de condensado para que permitan la eficiente remoción de condensado.

• Remover de manera adecuada aire y condensado en los finales de línea.

Ubicación de las Trampas de Vapor

Aun en casos en donde una tubería de distribución de vapor corre en una línea recta,se deben instalar trampas de vapor al menos cada 30 a 50 metros (100 a 160 pies), yen la parte inferior de subidas o bajadas en la tubería. También se debe tomar uncuidado especial para instalar trampas de vapor en cualquier lugar en donde elcondensado pueda acumularse, buscando evitar que el condensado cubra el áreatransversal de la tubería, lo que podría ocasionar que el condensado sea propulsado agran velocidad.

Ubicación de las Trampas de Vapor

Aun en casos en donde una tubería de distribución de vapor corre en una línea recta, se debeninstalar trampas de vapor al menor cada 30 a 50 metros (100 a 160 pies), y en la parte inferior desubidas o bajadas en la tubería. También se debe tomar un cuidado especial para instalar trampasde vapor en cualquier lugar en donde el condensado pueda acumularse, buscando evitar que elcondensado cubra el área transversal de la tubería, lo que podría ocasionar que el condensadosea propulsado a gran velocidad.

Soportes e Inclinación de la Tubería

Si los soportes de tubería (Ej. Ganchospara la tubería) son instalados con unagran distancia entre si, la tubería puedeflexionarse ante su propio peso. Estetipo de problema puede ocasionar queel condensado se acumule en lugaresno deseados incluso si la tuberíatuviera una ligera inclinación, por loque es importante que:

• Se instalen los soportes de la tuberíaen intervalos apropiados, y

• Se establezca una pendiente de latubería no menor de 1 a 100.

Pierna o Bota Colectora de Condensado

Los tamaños de las trampas de vapor para aplicaciones aparte de los procesos decalentamiento o procesos con un rango típico de entre 15 mm (1/2 in) y 25 mm (1in). Enalgunos casos, tubería con un diámetro similar al de la trampa de vapor es utilizada paraconectar directamente la trampa de vapor a la línea principal de vapor. Sin embargo, estapractica no es recomendable en la mayoría de los casos ya que si la línea de vapor es de undiámetro mayor, existe la posibilidad de que el flujo de condensado a gran velocidad nopueda entrar en la abertura tan estrecha de la tubería de descarga y siga por la tuberíaprincipal. Por otra parte, una tubería de mayor tamaño, dimensionada de maneraadecuada que recibe el nombre de pierna de condensado (pierna de colección, o bota decondensados) es típicamente instalada para permitir la descarga eficiente del condensado.

Diámetro PrincipalDiámetro de la Pierna de Condensado

Profundidad de la Pierna /> (Arranque Automático)

50 mm (2 in) 50 mm (2 in) 700 mm (28 in)

100 mm (4 in) 100 mm (4 in) 700 mm (28 in)

250 mm (10 in) 150 mm (6 in) 700 mm (28 in)

500 mm (20 in) 250 mm (10 in) 750 mm (28 in)

Referencia para el Dimensionamiento de Piernas de Condensado

Pierna o Bota Colectora de Condensado

Pierna o Bota Colectora de Condensado

Remoción de Condensado y Aire al Final de la Línea de Vapor

Remoción de Condensado y Aire al Final de la Línea de Vapor

Líneas de Distribución Aéreas

DesventajaVentaja

Cerca de la tubería

Menos calor se pierde por medio de la radiación

Más dicifil de inspeccionar y de mantener trampas, lo cual puede llevar a circusntancias en donde una trampa fallida simplemente es olvidada

Cerca del sueloMás facil de mantener y de reparar

Mayor pérdida por medio de radiación debido a que la tubería de bajada mas larga actúa como una pequeña extensión de la línea de vapor. (El aislamiento puede ayudar a reducir la pérdida de calor significativamente en casos donde la operación de la trampa no se afecte negativamente por el aislamiento.)

Erosión por Presencia de Condensado

¿Qué es una Trampa de Vapor?

Las trampas de vapor son un tipo de válvula automática que filtra el condensado (es decirvapor condensado) y gases no condensables como lo es el aire esto sin dejar escapar alvapor.

Una ‘trampa’ es definida de la siguiente manera de acuerdo con la terminología de válvulasJIS B 0100:

“Nombre genérico para una válvula autónoma que automáticamente descargacondensado de equipos, tubería, etc.”

ANSI/FCI 69-1-1989

¿Qué hace una Trampa de Vapor?

En la actualidad, es considerado esencial que una trampa de vapor, como un tipode válvula automática, debe tener las 3 características siguientes:

1. Descarga inmediata y completa de condensado2. No fugar vapor aún cuando se utilice durante largos periodos de tiempo3. También descargar gases no condensables, como el aire

Dependiendo del tipo de trampa de vapor (principio de operación, construcción,etc.), estas características tienen sus fortalezas y debilidades relativas. Además, elmodo de operación varía entre los diferentes tipos—existen tipos que descargancondensado continuamente y tipos que lo hacen de manera intermitente. Lacombinación de estos da a cada tipo de trampa de vapor características especiales

¿Se debe de Aislar una Trampa de Vapor?

Como podemos ver en este análisis detrampas de acuerdo con su categoría,solamente es aceptable aislar las trampastipo flotador sin afectar sus condicionesoperativas. Se debe tener mucho cuidadocon los otros tipos de trampas, ya que elexceso de aislamiento puede provocar queel condensado se acumule.

Al mismo tiempo, se debe tener muchocuidado con el grupo de trampas que ‘nodeben ser aisladas’ para que no quedendemasiado frías, ya que esto provocadaños en la válvula de apertura, incluso enausencia de condensado, lo que conduce agrandes pérdidas de vapor.

Efectos de la Contra Presión

En lo que respecta a una trampa o a una válvula, 'contrapresión' es la presión justo después de latrampa o válvula. En otras palabras, 'contrapresión' es la presión de salida o secundaria de latrampa o de la válvula. La diferencia entre la presión de entrada (primaria) de la trampa y la'contrapresión' es la 'presión diferencial' de operación.

Efectos de la Contra Presión

“Cada 1 m de altura en la descarga de una trampa de vapor se

generan 14.5 PSI de contra

presión.”

Efectos de la Contra Presión

¿Trampeo en Grupo?

Inspección de Trampas de Vapor

Ahorros PotencialesTrampa Termodinámica Marca Spirax Sarco, Modelo TD-52, Presión dela Línea 16 Kg/cm2.

El catálogo TI-P068-18 “Purgador Termodinámico para Vapor TD 52”editado por Spirax Sarco, en su página No. 2, nos da las dimensionesde la trampa de vapor dependiendo de su tamaño.

Para nuestro interés consideraremos la de ¾”. Obteniendo lossiguientes datos.

La altura de la cámara interior de la trampa de vapor es de .005 m., eldiámetro interior de la cámara es de .035 m.

De estos datos obtenemos que la capacidad en volumen de la cámarade la trampa de vapor Spirax Sarco Modelo TD 52 de ¾” es de0.000962 m3. Para las condiciones especificas en que esta trampatrabaja pierde 0.00825 kg de vapor por cada ciclo

Ahorros Potenciales

Si la trampa en cuestión ciclara 7 veces por minuto, obtenemos lo siguiente.1 ciclo = 0.00825 kg

7 ciclos = 0.05775 kg de vapor al minuto

Si consideramos 8000 horas de operación al año, obtenemos 480,000 minutos.

480,000 Minutos x 0.05775 kg por Minuto = 27,720 kg de vapor al año.

Por trabajo normal esta trampa pierde 27.72 Toneladas de vapor al año,considerando un promedio de $22 USD el costo de generación de cada toneladade vapor, esa trampa nos cuesta :

$609.84 USD mantenerla en operación cada año

Esta perdida no considera fugas en la trampa, lo que significaría eneste caso especifico perdidas por cerca de 70 toneladas de vapor alaño, es decir cerca de $1,540 USD.

Factores de Éxito

• Comprensión de los sistemas de vapor.

• Entrenamiento de los inspectores.

• Liderazgo adecuado.

• Apoyo de los niveles gerenciales.

• Equipos adecuados para el proyecto.

• Mentalidad enfocada a la calidad de clasemundial.

• Movimiento proactivo del proyecto a nuevasáreas de oportunidad mediante la utilización detecnologías.

¿Preguntas?