Eyectores

Indice1. Introducción2. Eyectores 4. Termocompresores5. Limitaciones para su utilización6. Conclusiones 7. Bibliografía

1. Introducción

La caña de azúcar es una gramínea sembrada en todos los continentes que ofrece no tan solo alimentos sino también combustible y energía renovables anualmente y sin afectaciones al medio ambiente. La tecnología industrial empleada permite la disponibilidad de materias primas para diversas producciones que junto con la producción de energía, elevan el valor agregado del azúcar, principal producto obtenido de esta agroindustria. La Industria Azucarera Cubana, en estos últimos años ha estado sumergida en un proceso de rehabilitación y crecimiento económico con el objetivo fundamental de aumentar la calidad de las producciones y una disminución en los costos de las mismas para poder competir en un mercado abarrotado de azúcar de alta calidad a muy bajos precios. En esta estrategia el mayor peso lo lleva el aumento de la producción cañera y los trabajos en la calidad y los costos del azúcar, pero existen otras variantes como la diversificación de las producciones que puede llegar a ser una alternativa muy valiosa para lograr una mayor revalorización de la caña, además de una mejor y más variada oferta de surtidos en el mercado. La importancia de la caña como materia prima radica no sólo en su alto contenido de azúcar, sino que además el bagazo constituye una fuente capaz de satisfacer los requerimientos energéticos del complejo productivo. También es un hecho conocido que en la economía de nuestros días el bagazo puede ser utilizado como materia prima por muchas industrias y, por consiguiente, ya no resulta económico quemar todo el bagazo en los hornos. Sin embargo, para poder ahorrar bagazo es indispensable disminuir el consumo de vapor del proceso. Una técnica de ahorro energético en los procesos es la utilización de los eyectores.

2. Eyectores

Ordinariamente cuando uno se refiere a los aparatos de chorro se acostumbra usar el término "eyector " que cubre todos los tipos de bombas de chorro que no cuentan con partes móviles, que utilizan fluidos en movimiento bajo condiciones controladas y que descargan a una presión intermedia entre las presiones del fluido motor y de succión. El eyector a chorro de vapor es el aparato más simple que hay para extraer el aire, gases o vapores de los condensadores y de los equipos que operan a vacío en los procesos industriales. Es un tipo simplificado de bomba de vacío o compresor, sin partes móviles, como válvulas, pistones, rotores, etc. Su funcionamiento está dado por el principio de conservación de la cantidad de movimiento de las corrientes involucradas. Los eyectores o bombas de chorros, son máquinas cuyo trabajo se basa en la transmisión de energía por impacto de un chorro fluido a gran velocidad, contra otro fluido en movimiento o en reposo, para proporcionar una mezcla de fluido a una velocidad moderadamente elevada, que luego disminuye hasta obtener una presión final mayor que la inicial del fluido de menor velocidad. Los eyectores se emplean muy comúnmente para extraer gases de los espacios donde se hace vacío, por ejemplo, en los condensadores, en los sistemas de evaporación, en torres de destilación al vacío y en los sistemas de refrigeración, donde los gases extraídos son generalmente incondensables, tales como el aire. Aunque también se usan en el mezclado de corrientes como por ejemplo en los procesos de sulfitación en ingenios azucareros. Los intervalos típicos del vacío producido por lo diferentes arreglos de eyectores son los siguientes:

Un eyector no es más que una combinación de tobera con un difusor, acoplado convenientemente en un mismo equipo y está formado, en general, por cinco partes como se muestra en la figura:

Fuente: http://www.kinetic-therm.com/anglais/produit/ejec-termo-vacc/ejec-termo-vacc.htm

La tobera permite la expansión de la corriente o fluido motriz (también llamado primario o actuante) hasta un estado con alta velocidad. La cámara de eyección incluye la sección de entrada de la corriente o fluido eyectado (también llamado secundario); en esta cámara, el fluido eyectado es arrastrado por el fluido motriz. La cámara de mezcla permite el mezclado íntimo entre los fluidos motriz y eyectado, lo que implica la aceleración del fluido eyectado y la desaceleración del fluido mezclado (mezcla del motriz y el eyectado), con el consiguiente aumento de presión. De acuerdo al fluido motriz el eyector, se denomina: de vapor, cuando lo que circula por su interior es vapor de agua o hidráulico, cuando su fluido motriz es agua. Los cálculos para el diseño de un eyector son engorrosos (ocurren tres procesos distintos: expansión, compresión y mezclado, por lo que hay métodos específicos para cada tipo de eyector), el mismo consiste en determinar las longitudes de la tobera, el difusor y la cámara de mezcla, así como las áreas de flujo y sus ángulos. Una vez diseñado el equipo, el mismo debe operar a las condiciones estacionarias para las cuales se diseñó y el cálculo fundamental es el del coeficiente de eyección o relación de arrastre: coeficiente de eyección = flujo motor / flujo arrastrado Con el objetivo de aumentar la capacidad de arrastre del eyector y disminuir la presión en la succión, se pueden utilizar sistemas de eyectores, en cuyo caso entre eyector y eyector se acopla un condensador barométrico.

Ventajas Son de diseño simple con gran flexibilidad, fáciles de construir, ocupan poco espacio, son fáciles de manejar, confiables. Su costo de mantenimiento (no necesita lubricación, ni se desgasta) es bajo, no tienen partes móviles como válvulas, pistones, rotores, etc. y las sustituciones de piezas o partes son poco frecuentes (los más comunes son de toberas de acero inoxidable y de cámara y difusor de hierro fundido, los materiales cambian según su uso), y bajo costo de servicio o operación. No necesita cimentación y puede ser sujetado conectando las tuberías.

Desventajas Su costo operacional es relativamente alto debido al consumo de fluido motor, generalmente vapor. En este caso utiliza vapor tomado directamente de los generadores (alta presión), el que, después de expandirse, mezclarse y comprimirse es totalmente condensado, descargándose al pozo barométrico con pérdidas de todo su calor latente. Sobre base anual el costo de operación es generalmente mayor que el costo inicial del equipo, de aquí que su rendimiento económico sea bajo. Tienen una baja eficacia mecánica y falta de flexibilidad para las variaciones de las condiciones de operación.

3. Clasificación

De acuerdo con las condiciones mantenidas en la cámara de mezcla se clasifican en dos tipos, de sección que permite mantener la presión constante y con sección de área constante. Dadas sus ventajosas características de construcción, operación, instalación, mantenimiento y costo, las bombas de chorro han encontrado una vasta aplicación en la industria, desarrollándose constantemente nuevos usos para los mismos. Esta variedad de aplicaciones ha originado a su vez una nueva terminología que describe grupos de aparatos con características especificas como sigue: Eyector: Cubre todos los tipos de bombas de chorro descargando a una presión entre las presiones motriz y de succión. Inyector: Usa un gas condensable para introducir o aspirar un liquido y descargar contra una presión mayor que cualquiera de las de succión o motriz. En la actualidad está restringido a los alimentadores de las calderas de vapor. Sifón: Es una bomba de chorro para liquido que usa vapor como fluido motriz. Eductor: Bomba de chorro para liquido que usa un liquido como fluido motor. Extractor: Bomba de chorro para gas que utiliza un liquido o un gas como fluido motriz. Soplador de chorro: Bomba de chorro para gas que bombea gases contra presiones diferenciales muy bajas. Compresor de chorro: Bomba de chorro para gas usada para levantar la presión de gases. Lavador de gas: Para bombear aire y gases contra presiones diferenciales muy bajas usando un liquido como fluido motor. Son llamados también "lavadores de vapor, aspirador de humos o absorbedores de vapores" y se usan para lavar gases, así como vapores y emanaciones molestas. Termocompresor: Para comprimir un vapor utilizando como fluido motriz vapor.

4. Termocompresores

La práctica de recomprimir un vapor para aumentar su temperatura y permitir nuevamente su uso, se llama TERMOCOMPRESION. Este principio encuentra continuamente aplicaciones más amplias en la industria. En una fábrica de azúcar de caña bien diseñada o equilibrada, el vapor necesario para el proceso es aproximadamente un 15 % menor que la cantidad disponible procedente del escape de los turbogeneradores, o sea, que las necesidades de vapor de escape para la concentración son muy superiores a las cantidades de vapor de escape disponibles. Una fábrica así debe entonces expandir una cantidad importante de vapor vivo, para completar su vapor de escape. Esta expansión se lleva a cabo generalmente en una válvula reductora sin obtener ningún beneficio. Dadas sus ventajosas posibilidades de ahorro de vapor se podría hacer esta expansión en un termocompresor. La energía del vapor directo, o vapor de alta, en un central azucarero se utiliza para producir energía eléctrica y energía mecánica. Una cantidad determinada de vapor de alta se reduce hasta los parámetros de vapor de escape para complementar las necesidades de vapor. En este caso, la capacidad de trabajo del vapor directo que se reduce se pierde y precisamente para no perder esta capacidad de trabajo es que se utilizan estos equipos. El termocompresor es un eyector vapor–vapor destinado a economizar vapor. Puede instalarse en cualquier posición, horizontal, vertical o inclinado para equilibrar automáticamente el consumo de vapor del proceso entre el vapor vivo y el vapor de escape. Permite elevar los parámetros de presión del vapor en cierta medida y por consecuencia, su temperatura; con la ayuda de otro vapor que tenga mayor potencial de presión y temperatura.

Ecuaciones Básicas Para el cálculo de termocompresores las ecuaciones fundamentales son: Balance de materiales en el termocompresor: mA + mC = mb(1) mA = mB y ma = mb

Balance de cantidad de movimiento en la cámara de mezcla:

y (2)

(3)

(4)

Balance de energía en el termocompresor: (5)

Como no se realiza trabajo(WS =0), y despreciando D Ek, D Ep y las pérdidas de calor al medio (Q = 0) queda que:

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(7)

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Según Kern:

(10)

e1 . e2 . e3 = 0 .75 – 0.8 (eficiencia total) e1 = 0.95 -0.98 (eficiencia en la boquilla) e2 = 0.9 – 0.95 (eficiencia de compresión en el difusor) e3 = 0.8 – 0.85 (eficiencia de la transferencia de momentum) HA – entalpía del vapor vivo, Btu / lb. HB – entalpía del vapor vivo después de su expansión isoentrópica a la presión p2, Btu / lb. Ha – entalpía de la mezcla al principio de la compresión en la sección del difusor a p2, Btu / lb. Hb – entalpía de la mezcla después de la compresión isoentrópica de p2 a la presión de descarga p3, Btu / lb. mC / mA – (lb de vapor arrastrado / lb de vapor motriz).

Según Espinosa: Partiendo de la ecuación de continuidad se llega a la siguiente ecuación empírica:

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De – Consumo de vapor del termocompresor (kg de vapor / h). d – Diámetro del estrangulamiento en la tobera (cm). P – Presión del vapor de entrada (kg / cm 2 abs. ). Ve – Volumen específico del vapor (m 3 / kg).

Para valorar la efectividad en el funcionamiento de este equipo se han definido varios parámetros: Hugot define: Relación de arrastre ( m ) = Flujo másico de vapor aspirado / Flujo másico de vapor motriz El propio autor hace el cálculo por las fórmulas de Truffault.

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T0 – Temperatura del vapor por comprimirse (° C). Tm – Temperatura correspondiente a la presión pm de la mezcla, es decir del vapor en la calandria (° C). p – Presión absoluta del vapor motriz (kgf / cm2 ). m o – Relación de arrastre en una boquilla nueva. pm – Relación absoluta de la mezcla de vapores(kgf / cm2). po – Presión absoluta del vapor por comprimirse (kgf / cm2). m – Relación de arrastre integrando el desgaste de las boquillas.

Jenkins plantea que este parámetro toma el valor de tres[ Jen85] y Tromp que toma valor igual a uno. Socolov utiliza además del coeficiente de eyección: Relación de expansión (PA / PC), es la relación que existe entre la presión del vapor de alta y la del vapor aspirado. La eficiencia del termocompresor es directamente proporcional a la relación de expansión. Básicamente, para una presión del vapor de baja determinada, mientras mayor sea la presión del vapor de alta, mayor será la eficiencia del mismo. Grado de compresión (Pb / PC) es la relación que existe entre la presión del vapor comprimido y la del vapor aspirado. La eficiencia del termocompresor es inversamente proporcional al grado de compresión, esto significa que para una mayor presión del vapor comprimido, menor será la eficiencia del equipo.

Aplicaciones Se utilizan en varias industrias: Pulpa y papel, Como compensador para cambios de temperatura y presión de descarga de los secadores de vapor en el aprovechamiento de las corrientes residuales. Farmacéutica, Recuperación de corrientes residuales de secado al vacío de productos sensibles al calor y obtención de extractos de hormonas. Alimentaria, Recuperación de vapores extraídos de los alimentos (jugos de frutas, etcétera) durante el proceso de concentración. Química y Petroquímica, Recuperación de vapores de equipos tales como secadores, deodorizadores, etc. , en la desalinización y en la obtención de productos orgánicos. Generación de electricidad. Aerospacial. Azucarera: Para elevar la presión del vapor a la entrada de la calandria del primer vaso de múltiple. Para aumentar la evaporación del primer vaso del múltiple. Para elevar la presión del vapor de escape en un pre o vaporcell. Para mejorar la evaporación y el calentamiento en calentadores. Para poder rectificar utilizando vapor de escape con poca presión. Para mejorar la evaporación en el primer y segundo vaso del múltiple efecto. Para mejorar la evaporación en los evaporadores y el trabajo de los calentadores. Recuperación de condensados. En cristalizadores. Para auxiliar vacío en los tachos.

5. Limitaciones para su utilización

Si una fábrica produce en sus máquinas, el vapor de escape que consume en la concentración, la termocompresión no presenta ningún interés. Por lo que los turbogeneradores de la fábrica deben producir menos vapor de escape que la cantidad requerida en el proceso. Es decir que el vapor de alta que va a la reductora sea siempre más del 15 % del total de las necesidades de vapor en el proceso tecnológico, en una fábrica donde lógicamente no estén sobrepotenciados sus equipos primarios, ni mal aprovechados o utilizados sus equipos del proceso. El aumento de presión entre los vapores a la salida y a la entrada del termocompresor tiene que ser necesariamente pequeño, (TA – Tb ) < = 10 ºC. Una elevación del punto de ebullición (EPE) pequeña.

6. Conclusiones

El eyector cubre todos los tipos de bombas de chorro que no cuentan con partes móviles, que utilizan fluidos en movimiento bajo condiciones controladas y que descargan a una presión intermedia entre las presiones del fluido motor y de succión. El termocompresor es un tipo de eyector vapor-vapor destinado a economizar vapor en las industrias. Se lograron reunir las ecuaciones para la evaluación de estos equipos, así como las ventajas y desventajas, aplicaciones y límites de utilización de los mismos. La información que se presenta constituye una herramienta útil para los cálculos ingenieriles de este tipo de equipo.

7. Bibliografía

1. http://www.artisanind.com/jetvac/singlestage.htm 2. Brown, George; "Operaciones básicas de la Ingeniería Química". Editorial Pueblo y Educación. Ciudad de la Habana; 1990. 3. http://Croll.com/vac6.htm 4. Espinosa, Rubén; "Sistemas de utilización del calor". Editorial Pueblo y Educación. Ciudad de la Habana; 1987. 5. Faires, Virgil; "Termodinámica". Edición Revolucionaria. Ciudad de la Habana; 1986. 6. http://www.foxvalve.com/index2.html 7. http://www.foxvalve.com/frameset-thermo.html 8. Honig, Pieter; "Principios de tecnología azucarera". Tomo 3. Editorial Pueblo y Educación. Ciudad de La Habana; 1973. 9. Hugott, Emil; " Manual para ingenieros azucareros ". Editorial Pueblo y Educación. Ciudad de La Habana; 1980. 10. Jenkins, G; "Introducción a la tecnología del azúcar de caña". Edición Revolucionaria. Ciudad de La Habana; 1985. 11. Kern, Donald; "Procesos de transferencia de calor". Edición Revolucionaria. Ciudad de La Habana; 1986. 12.http://www.kinetic-therm.com/anglais/produit/ejec-termo-vacc/ejec-termo-vacc.htm

13. Lima, Manuel; "Sistemas de eyectores hidráulicos de vacío en la industria azucarera". Información Científica. 14. Lyle, Oliver; " The efficient use of steam". Majesty’s Stationery Office. London; 1947. 15. McCabe, Warren; "Operaciones básicas de Ingeniería Química". Tomo 1. Edición Revolucionaria. Ciudad del Habana; 1981. 16. http://www.nciweb.net/thermoco.htm 17. Pons, Antonio y otros; "Térmodinámica para Ingenieros Químicos". Editorial Pueblo y Educación. Ciudad de la Habana, 1987.Pag 251-253. 18. Socolov y Zinguex; "Aparatos de chorro". 19. Tromp, L; "Machinery and equipment of the cane sugar factory". Norman Rodger Edition. London; 1936. 20. http://www.s-k.com/pr_termo.htm

Resumen En el presente artículo se detallan las características de los mencionados equipos, sus ventajas y desventajas, además de una clasificación de los diferentes tipos de eyectores empleados en las industrias químicas. Dándole especial atención, por su amplia utilización en la industria en general a los termocompresores, de los cuales se detallan sus ecuaciones básicas y empíricas, así como las aplicaciones y limitaciones para su utilización. Palabras Claves: Eyectores, Termocompresores, Ahorro Energético.

Autor:

Ing. Osney Perez Ones Profesor Instructor

Dr. Ing. Osvaldo Gozá León Profesor Auxiliar

Grupo de Investigaciones Azúcarhttp://www.geocities.com/grupoazucar

Departamento de Ingeniería Química. Facultad de Ingeniería Química. Instituto Superior Politécnico "José Antonio Echeverría". Calle 127 s/n, Apartado 6028, ISPJAE. Marianao 15, Habana 6, CP 19390. Ciudad de la Habana, CUBA. fax: (537) 2672964 teléfono: (537) 2607220