Curso de distribución del vapor en instalaciones industriales

DISTRIBUCIÓN DEL VAPOR.

El sistema de distribución de vapor es un enlace importante entre la fuente generadora y los clientes finales. La fuente generadora de vapor puede ser una caldera o una estación de cogeneración, esta debe suministrar vapor de buena calidad, caudal y presión requerida por el o los clientes y a su vez debe realizar este transporte con las mínimas perdidas de energía y el mínimo costo de mantenimiento.

Esta guía observa la distribución de vapor saturado seco como un transporte de energía calorífica al lugar de utilización, para aplicaciones de intercambio de calor o de calefacción de espacios y cubre los temas relacionados con la puesta en practica de un sistema eficiente de distribución de vapor.

Fundamentos de los sistemas de vapor.

Es imprescindible que desde un principio, se comprenda el circuito de vapor básico, o mas bien, el circuito de vapor y condensado. El flujo de vapor en un circuito es debido a la condensación del vapor,, que provoca una caída de presión. Esto induce el flujo de vapor a través de las tuberías.

El vapor generado en la caldera debe ser conducido a través de las tuberías hasta el punto en que se requiere esta energía calorífica. Inicialmente habrá una o más tuberías principales que transporten el vapor de la caldera en la dirección de la plata de utilización del vapor. Otras tuberías derivadas de las primeras pueden transportar el vapor a los equipos individuales.

Cuando la válvula de salida de la caldera está abierta, el vapor pasa inmediatamente de la caldera a las tuberías principales. La tubería esta inicialmente fría y por tanto el vapor transfiere calor. El aire que rodea las tuberías esta más frio que el vapor y en consecuencia, la tubería transfiere calor al aire.

Como el vapor fluye hacia un medio más frio, comenzara a condensar inmediatamente. En la puesta en marcha del sistema, la cantidad de condensado será mayor, debido a que el vapor se utilizara para el calentamiento de la tubería fría, a esto se le conoce como "carga de puesta en marcha". Cuando la tubería se haya calentado, aun habrá condensación, ya que la tubería seguirá cediendo calor al aire que la rodea, esto se conoce por "carga de funcionamiento".

El condensado que resulta, va a parar a la parte inferior de la tubería y es arrastrado a lo largo de esta por el flujo de vapor y por la gravedad, debido al gradiente en la conducción de vapor que normalmente disminuirá en la dirección del flujo de vapor. Deberá entonces purgarse el condensado de los puntos bajos de la tubería de distribución.

Cuando la válvula de la tubería de vapor, que alimenta a un equipo de la planta esta abierta, el flujo de vapor que proviene del sistema de distribución entra a la planta y de nuevo entra en contacto con superficies más frías. Entonces el vapor cede su energía para calentar el equipo (carga de puesta en marcha) y continua transfiriendo calor al proceso (carga de funcionamiento) y condensado de en agua (condensado).

En este momento hay un flujo continuo de vapor desde la caldera para satisfacer la carga conectada y para mantener este suministro deberá generarse más vapor. Para hacerlo será necesario alimentar la caldera con más combustible y bombear más agua a su interior para reemplazar el agua que ha sido evaporada de la caldera.

El condensado formado tanto en la tubería de distribución como en los equipos de proceso, es agua ya caliente y preparada para la alimentación de la caldera. Aunque es importante evacuar el condensado del espacio de vapor, se trata de un elemento demasiado valioso como para permitirnos desaprovecharlo. El circuito de vapor básico debe completarse con el retorno de condensado al tanque de alimentación de la caldera, siempre que sea factible.

Presión de Trabajo.

Determinación de la presión de trabajo.

La presión a la que el vapor debe distribuirse está parcialmente determinada por el equipo de la planta que requiere una mayor presión.

Debe recordarse que el vapor perderá una parte de su presión al pasar por la tubería, a causa de la resistencia de la tubería al paso del fluido, y a la condensación por la cesión de calor a la tubería. Deberá tenerse en cuenta este margen a la hora de decidir la presión inicial de distribución.

Para resumir estos puntos, cuando seleccione la presión de trabajo, debe tenerse en cuenta lo siguiente:

• Presión requerida en el punto de utilización.

• Caída de presión a lo largo de la tubería debida a la resistencia al paso del fluido.

• Perdidas de calor en la tubería.

El vapor a alta presión ocupa menos volumen por kilogramo que el vapor a baja presión. Por tanto, si el vapor se genera en la caldera a una presión muy superior a la requerida por su aplicación y se distribuye a esta presión superior, el tamaño de las tuberías de distribución será mucho menor para cualquier caudal. En la Figura 2 se ilustra este punto.

La generación y distribución de vapor a una presión elevada

tendrá las siguientes ventajas:

• Se requieren tuberías de distribución de vapor de menor diámetro. Al tener una superficie de intercambio menor, las pérdidas de calor (energía) en las tuberías serán menores

• Menor coste de las líneas de distribución, en materiales, soportes, bridas, tuberías, aislamientos, etc.

• Menor coste en aislamiento.

• Vapor más seco en el punto de utilización, debido al efecto de aumento de fracción seca que tiene lugar en cualquier reducción de presión.

• La capacidad de almacenamiento térmico de la caldera aumenta y ayuda a soportar de forma más eficiente las fluctuaciones de la carga, reduciendo en riesgo de arrastres de agua y de impurezas con el vapor a condiciones óptimas.

Si se distribuye a altas presiones, será necesario reducir la presión de vapor en cada zona o punto de utilización del sistema, con el fin de que se ajuste a lo que la aplicación requiere.

Al elevar la presión del vapor, los costes serán más altos también, pues ello requiere más combustible. Siempre es prudente comparar los costes que representa elevar la presión del vapor a la máxima presión necesaria (quizás la máxima presión del equipo), con cada uno de los beneficios potenciales mencionados anteriormente.

Por ejemplo, si se requiere vapor seco 4 bar r, se aconsejará al diseñador que compare las ventajas de generar y distribuir vapor a esta presión respecto a hacerlo una presión mayor. La evaluación del ciclo de vida efectivo se basará en la comparación entre los gastos e ingresos frente a los beneficios técnicos, relativos al tamaño y el tipo de sistema y factores de utilidad y diversidad.

Si está comprobado, en este caso que distribuir vapor a 4 bar r es perfectamente factible, entonces es la es la presión a la que la caldera debería estar especificada para trabajar. Sin embargo, las calderas no suelen hacerse a medida. En este caso sería necesario procurarse una caldera en la banda de presión inmediatamente superior. Puede ser tentador hacer funcionar la caldera a una presión inferior, pero debemos entender que puede no ser posible *obtener la presión deseada para sin detrimento de la calidad del vapor.

Se dará con frecuencia en caso de que por razones técnicas sea beneficiosa la distribución del vapor a presiones más altas que la máxima presión requerida. Esta situación requiere que la presión de vapor se reduzca En el punto de utilización para ajustarse a los requerimientos de los equipos.

Reducción de presión

En método más común de reducción de la presión es la utilización de

una estación reductora de presión, similar a la que se muestra en la Figura 3.

Fig. 3 Estación de válvula reductora de presión

Antes de la válvula reductora se utiliza un separador para eliminar el agua que arrastra el vapor que entra, permitiendo que solo el vapor seco saturado pase a través de la válvula reductora. Esto se verá detalladamente más adelante.

Si se utiliza una válvula reductora de presión, es apropiado montar una válvula de seguridad aguas abajo para proteger en equipo. Si la válvula reductora fallase, produciéndose un aumento de presión aguas abajo, el equipo resultaría dañado, e incluso podrían ocurrir daños persónales. Con una válvula de seguridad instalada, cualquier exceso de presión será descargado a través de la válvula, evitando que se produzcan desperfectos.

Otros elementos que constituyen una estación reductora de presión son:

• La primera válvula de aislamiento – para cerrar el sistema y poder realizar tareas de mantenimiento.

• En primer manómetro – para ver la presión de alimentación.

• En filtro – para mantener limpio el sistema.

• En segundo manómetro – para ajustar y ver la presión aguas abajo.

• La segunda válvula de aislamiento – para establecer la presión aguas abajo en condiciones sin carga.

Dimensionado de tuberías

Existe una tendencia natural cuando se seleccionan los tamaños de tuberías, a guiarse por el tamaño de las conexiones del equipo a las que van a conectarse.

Si tubería se dimensionan de este modo, es posible que no se pueda alcanzar el caudal volumétrico deseado. Para corregir esto y poder dimensionar correctamente la tubería, pueden utilizarse reductores concéntricos y excéntricos.

Fig. 4 Reductores concéntricos y excéntricos

Las tuberías se pueden seleccionar basándose en una de las dos características:

• Velocidad del fluido.

• Caída de presión.

En cada caso es sensato realizar la comprobación utilizando en método alternativo, para asegurar que no se exceda los límites.

Efectos del sobre dimensionado y sub dimensionado de tuberías.

Sobredimensionar las tuberías significa que:

• Las tuberías serán más caras de lo necesario.

• Se formará un mayor volumen de condensado a causa de las mayores pérdidas de calor.

• La calidad de vapor y posterior entrega de calor será más pobre, debida al mayor volumen de condensado que se forma. Los costes de instalación serán mayores.

En un ejemplo particular, en coste de instalar una tubería de 80 mm resultó un 44 % más caro que en coste de una de 50 mm, cuya capacidad hubiese sido la adecuada. El calor perdido por la tubería aislada de 80 mm fue un 21 % mayor del que se hubiera perdido en la de 50 mm. Las partes no aisladas hubieran perdido un 50 % más de calor en la línea de 80 mm que en la de 50 mm. Esto se debe a la mayor superficie de transferencia de calor disponible.

Sub dimensionar las tuberías significa que:

• La velocidad del vapor y la caída de presión serán mayores, generando una presión inferior a la que se requiere en el punto de utilización.

• En volumen de vapor será insuficiente en el punto de utilización.

• Habrá un mayor riesgo de erosión, golpe de ariete y ruidos, a causa del aumento de la velocidad.

Estándares y espesores de tuberías.-

Probablemente en estándar de tuberías más común sea en derivado de la American Petroleum Institute (API), dónde las tuberías se clasifican según en espesor de pared de tubería, llamado Schedule.

Estos Schedule están relacionados con la presión nominal de la tubería, y son un total de once, comenzando por 5 y seguido de 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140, hasta en Schedule 160.

Para tuberías de diámetro nominal 150 mm y menores, en Schedule 40 (denominado a veces "standard weight"), es en más ligero de los especificados. Sólo los Schedude40 y 80 cubren la gama completa de medidas nominales desde 15 mm hasta 600 mm y son los Schedule utilizados más comúnmente para instalaciones de tuberías de vapor. Esta guía, se referirá a tuberías del Schedule 80 (denominado también "Extra strong").

Se pueden obtener las tablas de los Schedule en el BS 1600, que se usa como referencia para la medida nominal de la tubería y el espesor de la misma en milímetros.

La tabla 1 muestra un ejemplo de diámetros de distintas medidas de tubería, para distintos Schedule.

En Europa las tuberías se fabrican según la norma DIM y se incluye la tubería DIM 2448 en la tabla.

Ejemplo.

Para una tubería de 25 mm de Schedule 80, el diámetro interior es de 24,3 mm.

De la misma manera, una tubería de Schedule 40 tiene en diámetro interior de 26,6 mm. Las tuberías que se utilizan más usualmente son de acero al carbono (longitud estándar 6m) para distribución de vapor y líneas de condensado.

Otro término que se utiliza comúnmente para el espesor de tubería es: "Banda azul y Banda roja".

A ellas se refiere en BS 1387, (tubos y tubulares de acero adecuado para roscar con roscas BS 21), y se refiere a calidades particulares de tuberías; la Roja es de acero, utilizada comúnmente en aplicaciones de conducción de vapor, y la azul se utiliza como calidad media, comúnmente en sistemas de distribución de aire. Las bandas de colores tienen una anchura de 50 mm, y sus posiciones en la tubería denotan su longitud. Los conductos de menos de 4 metros de longitud sólo tienen una banda de color en un extremo, mientras que los conductos de 4 a 7 metros de longitud tienen una banda de color en ambos extremos.

Dimensionado de la tubería acorde a la velocidad del vapor.

Si se dimensiona la tubería en función de la velocidad, entonces los cálculos se basan en el volumen de vapor que se transporta con relación a la sección de la tubería*.

Para tuberías de distribución de vapor saturado seco, la experiencia demuestra que son razonables las velocidades entre 25 – 40 m/s, pero deben considerarse como en máximo sobre la cual aparecen el ruido y la erosión, particularmente si el vapor es húmedo.

Incluso esta velocidades pueden ser altas en cuanto a sus efectos sobre la caída de presión. En líneas de suministro de longitudes considerables, es frecuentemente necesario restringir las velocidades a 15 m/s si se quieren evitar grandes caídas de presión.

Utilizando la tabla 2 como guía, es posible seleccionar las medidas de tubería a partir de la presión de vapor, velocidad y caudal.

Alternativamente se puede calcular en tamaño de tubería siguiendo el proceso matemático expuesto más abajo.

Para hacerlo, necesitamos la siguiente información:

Esto nos dará en diámetro de la tubería en metros. Fácilmente puede pasarse a milímetros multiplicando por 1 000.

Ejemplos.

Se quiere dimensionar una tubería para transportar 5.000 kg/h de vapor saturado seco a 7 bar y a una velocidad de 25 m/s.

– Velocidad del flujo (C) = 25 m/s

– Volumen específico (v) = 0,24 m³/kg (de las tablas de vapor)

– Caudal másico (M) = 5000 Kg/h / 3600s/h = 1.389 Kg/s

– Caudal volumétrico (V) = mxv = 1,389 kg/s x 0,24 m3/kg = 0,333 m³/s

Por lo tanto, utilizando:

Sección de tubería (*) = Caudal volumétrico (V) / Velocidad (C)

p x D² /4 =0.333/ 25

Despejando y realizando las operaciones correspondientes tenemos que el diamétro es de:

D = 0.130m o sea 130 mm

En la Figura 6 se utiliza un método alternativo para el cálculo de tuberías a partir de la velocidad. Este método funcionará si se conocen los siguientes datos: presión de vapor, temperatura (si es recalentado), caudal y velocidad. El ejemplo a continuación ayuda a explicar cómo funciona este método.

Ejemplo

Como en el ejemplo anterior, se pretende dimensionar una tubería para transportar 5 000 kg/h de vapor saturado seco a 7 bar r y a 170°C. La velocidad del vapor máxima aceptable es de 25 m/s.

Trace una línea vertical desde 170°C (punto A) en la escala de temperaturas hasta 7 bar (punto B) en la escala de presiones. Desde B trace una línea horizontal hasta el caudal de vapor de 5 000 kg/h (punto C). Ahora trace una línea vertical hasta la velocidad de vapor de 25 m/s (punto D). Desde D, trace una línea horizontal que cruce la escala de diámetro de tubería (punto E). En esto caso bastará con una tubería de130 mm de diámetro.

Esto se puede observar en la página 14.

Dimensionado de la tubería en función de la caída de presión-

A veces es esencial que la presión del vapor que alimenta un determinado equipo no caiga por debajo de un mínimo especificado, con el fin de mantener la temperatura, y de este modo asegurar que los factores de intercambio de calor de la planta mantengan las condiciones de plena carga. En estos casos, es apropiado dimensionar la tubería con el método de la "caída depresión", utilizando la presión conocida en un extremo de alimentación de la tubería y la presión requerida en el punto de utilización.

Hay numerosos gráficos, tablas e incluso reglas de cálculo para relacionar la caída de presión con en tamaño de la tubería. Un método que ha resultado satisfactorio, es en uso de factores de caída de presión. Un ejemplo de este método aparece en el apéndice al final de esta guía.

Un método alternativo más rápido para dimensionar tuberías basándose en la caída de presión, es el uso de la Figura 7 (página 15) si se conocen las siguientes variables: temperatura del vapor, presión, caudal y caída de presión.

Ejemplo.

Se pretende dimensionar una tubería para transportar 20 000 k*/h de vapor recalentado a una presión de 15 bar r y 300°C, con una caída de presión de 1 bar/100m.

En método se ilustra en la Figura 7 de la página 15.

Trace una línea vertical desde 300°C (punto A). En la escala de temperatura hasta 15 bar (punto B) en la escala de presión. Desde B, trace una línea horizontal hasta un caudal de vapor de 20 000 kg/h (punto C).

Ahora trace una línea vertical hasta la parte superior del gráfico. Trace una línea horizontal desde 15 bar/100 m en la escala de pérdida de presión (punto D). El punto en que esta línea corta la línea vertical que viene del punto C (punto E), determina en tamaño de tubería que se requiere. En este caso 150 mm.

Dimensionado de tuberías más largas y de mayores diámetros.

Estas tuberías se deben dimensionar utilizando en método de la caída de presión.

Los cálculos normalmente consideran presiones y caudales mayores y vapor recalentado. El cálculo utiliza una relación de presiones entre la caída de presión total y las presiones de entrada, que se puede utilizar en la Figura8 (página 16).

Ejemplo.

Se quiere dimensionar una tubería para transportar 20 toneladas de vapor por hora a una presión manométrica de 14 bar y a una temperatura de 325°C. La longitud de la tubería es de 300 m y la caída de presión admisible en todo el recorrido es de 0,675 bar.

Fíjese en que las presiones del grafico son presiones absolutas y para un ejercicio de este tipo, es suficientemente precisar la aproximación de que 14 bar relativos son 15 bar absolutos.

Primero debe encontrarse la relación de presiones:

Ratio = 0.675/ 15 = 0.045.

El método se ilustra en la fig. 8 de la página 16.

Desde este punto en la escala de la izquierda, lea horizontalmente hacia la derecha y en la intersección (A) con la curva, lea verticalmente hacia arriba para encontrar la línea de longitud de300 m (B). En este punto, extienda la línea horizontal hasta el punto C.

Ahora trace una línea vertical desde la base, partiendo de la temperatura de 325°C, hasta que corte con la línea de presión de 15 bar absoluta. (punto D).

Trace una línea horizontal hacia la derecha hasta encontrar la línea de 20 toneladas/hora (punto E), y desde este punto trace hacia arriba una línea vertical.

El tamaño de tubería se indica donde esta línea corte a la línea B – C, En el punto F. Esto muestra un tamaño de tubería de 200 mm.

Este proceso puede también invertirse para encentrar la caída de presión en una tubería de tamaño conocido.

Líneas de distribución y purgas.

En cualquier tubería de vapor, parte del vapor condensará a causa de las pérdidas por radiación. Por ejemplo, una tubería de100 mm bien aislada, de 30 m de longitud, por la que fluye vapor a 7 bar, rodeada de aire a 10°C, condensará aproximadamente 16 kg de vapor por hora.

Esto representa probablemente menos den 1 % de la capacidad de transporte del conducto, no obstante significa que al cabo de una hora, el conducto tendrá no sólo vapor, sino 16 litros de agua y progresivamente más a medida que pase el tiempo.

Por tanto, debe preverse la purga del condensado. Si esto no se realiza de forma efectiva, aparecerán problemas de corrosión y golpe de ariete, que se verán más adelante. Además, el vapor se volverá húmedo, pues este recoge gotitas de agua, reduciendo así su potencial de transferencia de calor. Bajo condiciones, extremas si se permite la acumulación de agua, la sección de tubería disponible para en paso del vapor se ve reducida, de manera que la velocidad del vapor superará los límites recomendados.

Siempre que sea posible, la tubería de distribución debe montarse con un descenso no inferior a 40 mm cada 10 m, en la dirección del flujo. Hay una buena razón para ello. Si la tubería asciende en la dirección del flujo, el condensado tratará de volver hacia abajo. Pero el flujo de vapor en sentido contrario, que puede ir a una velocidad de hasta 80 km/h, barrería el agua hacia arriba. Esto haría extremadamente difícil la recogida del agua y su evacuación. Es más, esto facilitaría que en agua se mezclase con el vapor produciendo vapor húmedo y que hubiese golpes de ariete.

Montando la tubería con un descenso en la dirección del flujo, tanto en vapor como en condesado, irán en la misma dirección y se pueden colocar puntos de purga en la línea para recoger y evacuar el agua.

Puntos de purga.

Las ventajas de elegir el tipo de purgador más apropiado para una determinada aplicación será en vano si el condensado no puede encontrar fácilmente el camino hasta el purgador. Por esta razón debe considerarse cuidadosamente el tamaño y la situación del punto de purga.

Debe considerarse también que le ocurre al condensado en una tubería de vapor cuando se produce una parada y todo el flujo cesa. Este circulara en la dirección descendente de la tubería por efecto de la fuerza e gravedad y se acumulará en los puntos bajos del sistema. Los purgadores deberán por tanto montarse en esos puntos bajos.

En cualquier caso, la cantidad de condensado que se forma en una línea de gran tamaño bajo condiciones de puesta en marcha, es suficiente para hacer necesaria la instalación de puntos de purgas cada 30m a 50 m, así como en los puntos bajos del sistema.

Durante el funcionamiento normal, el vapor puede fluir por las tuberías de distribución a velocidades de hasta 145 km/h, arrastrando condensado con él. La figura 9 muestra una tubería de 15 mm que conecta la parte inferior de una línea de vapor con el purgador. Aunque la tubería de 15 mm tiene una capacidad suficiente, es poco probable que recoja gran parte del condensado que fluye a gran velocidad por la tubería de distribución. Tal disposición no resultaría efectiva.

En la figura 10 se muestra una solución mas fiable para evacuar el condensado. Se monta una conexión T (el mismo diámetro hasta 150 mm y un diámetro inmediatamente inferior en tamaños mayores) en la tubería que actúa como un pozo de goteo (pozo de condensado). Todo el condensado caerá al pozo y recorrerá el camino por la tubería de 15 mm hasta el purgador. Este pozo de goteo es tan importante en el sistema de purga como el purgador mismo. Observe que la boca de entrada al purgador se coloca usualmente 25/30 mm por encima del fondo del pozo para evitar que la suciedad de las tuberías pase al purgador. La parte inferior del pozo es normalmente desmontable, lo que permite que se pueda quitar la tapa inferior durante una parada para eliminar la suciedad acumulada.

Golpes de ariete y sus efectos.

El golpe de ariete se produce cuando el condensado en lugar de ser purgado en los puntos bajos del sistema, es arrastrado por el vapor a lo largo de la tubería, y se detiene bruscamente al impactar contra algún obstáculo del sistema. Las góticas e condensado acumuladas a lo largo de la tubería, como se muestra en la figura 11, con el tiempo forman una bolsa "solida" de agua que será arrastrada por la tubería a la velocidad del vapor. Estas velocidades pueden ser de 30 km/h o más. Esta bolsa de agua es densa e incompresible y, cuando viaja a una velocidad elevada tiene una energía cinética considerable.

Cuando se obstruye su paso, a causa de una "T" en la tubería o una curva, la energía cinética se convierte en un golpe de presión que se aplica contra el obstáculo. (las leyes de la termodinámica establecen que la energía ni se crea ni se destruye, se transforma).

Normalmente se produce un ruido de golpe, que puede ir acompañado del movimiento de la tubería. En casos serios, los accesorios pueden incluso romperse con un efecto casi explosivo, con consecuente perdida de vapor vivo en la rotura, creando una situación peligrosa.

Afortunadamente, el golpe de ariete se puede evitar si se toman las medidas oportunas para que no se acumule el condensado en la tubería.

Evitar el golpe de ariete es una alternativa mejor que intentar contenerlo eligiendo excelentes materiales, y limitando la presión de los equipos.

Las fuentes de problemas de golpe de ariete suelen estar en los puntos bajos de la tubería (véase la figura 12). Tales áreas son:

• Pandeos en las líneas.

• Uso incorrecto de reducciones concéntricos y filtros. Por este motivo en las líneas de vapor se prefiere montar filtros con la cesta horizontal.

• Purga inadecuada en líneas de vapor.

Fig. 12 Fuentes potenciales de problemas de golpe de ariete.

Resumidamente, para eliminar las posibilidades de golpes de ariete:

• Las líneas de vapor deben montarse con una inclinación descendente en la dirección del flujo, con puntos de purga instalados a intervalos regulares y en los puntos bajos.

• Deben montarse válvulas de retención después de los purgadores, ya que de otro modo se permitirá que el condensado se introdujera de nuevo en la línea de vapor o la planta durante las paradas.

• Las válvulas de aislamiento deben abrirse lentamente para permitir que el condensado que haya en el sistema pueda fluir sin brusquedades hacia, y a través de los purgadores, antes de que el vapor a gran velocidad lo arrastre. Esto es especialmente importante en la puesta en marcha.

Derivaciones.

Es importante recordar que las derivaciones son normalmente mucho más cortas que las líneas de distribución principales. El dimensionado de las derivaciones basándose en una caída de presión dada es, en consecuencia, menos recomendable en tuberías de poca longitud. Con una tubería principal de 250 m de longitud, una caída de presión limitada a 0.5 bar puede ser perfectamente válida, aunque conduzca a adoptar velocidades inferiores a las esperadas. En un ramal de 5 m o 10 m de longitud, la misma velocidad llevaría a valores de solo 0.01 o 0.02 bar. Son claramente insignificantes, y usualmente las tuberías de las derivaciones se dimensionan para velocidades de vapor mayores. Esto creará una mayor caída de presión, pero con una longitud de tubería más corta, esta caída de presión es aceptable.

Los tamaños de tubería suelen elegirse de una tabla, como la tabla de "capacidades de tubería a velocidades específicas" (tabla 2). Cuando se utilizan velocidades de vapor de 25 a 35 m/s en derivaciones cortas a equipos, se observa que el nivel de caída de presión por unidad de longitud pueden ser relativamente alta. Se puede crear una gran caída de presión si la tubería cuenta con diversos accesorios, tales como conexiones y codos.

En derivaciones de mayor longitud debe limitarse la velocidad a 15 m/s a no ser que se calcule también la caída de presión.

Conexiones de derivaciones

Las derivaciones transportaran el vapor más seco siempre que las conexiones tomen el vapor de la parte superior de la tubería principal. Si la toma es lateral, o peor aún, de la parte inferior como en la Figura 14, transportarán el condensado, comportándose como un pozo de goteo. El resultado de esto es un vapor húmedo que llega a los equipos. La válvula de la figura 15 debe instalarse tan cerca como sea posible de la derivación para evitar que el condensado se deposite en el ramal si se producen largas paradas del sistema.

Drenajes de derivaciones.

En las derivaciones a equipos también hay puntos bajos. Lo más común es un punto de purga cerca de una válvula de aislamiento o una válvula de control. El condensado se acumula delante de la válvula cerrada, y se introduciría con el vapor cuando la válvula se abriera de nuevo – consecuentemente es necesario un punto de purga con un purgador En ese lugar.

Fig. 16 Diagrama de drenaje de una derivación

Elevación del terreno y purga.

No es raro que una línea de distribución discurra por un terreno con inclinación ascendente y no sea posible mantener el nivel de la tubería, con lo que el condensado se ve inducido a correr hacia abajo a contracorriente del vapor. Es prudente asegurarse de que el tamaño de la tubería es suficiente, en el tramo ascendente para no reducir la velocidad a menos de 15 m/s.

A sí mismo la distancia entre puntos de purga debe reducirse a no más de 15 m. el objetivo es evitar la película de condensado en la parte inferior de la tubería, que iría aumentando en espesor hasta el punto que el vapor arrastraría góticas de condensado (exactamente como en el caso común en que la gravedad y el flujo de vapor actúan en la misma dirección).

Separadores de gotas.

Las calderas de vapor compactas modernas tienen unas grandes prestaciones con relación a su tamaño y carecen de capacidad de reserva para absorber condiciones de sobrecarga. Un tratamiento químico incorrecto del agua de alimentación, mal control de TDS o picos de carga pueden provocar serios problemas de arrastre del agua e impurezas del agua de caldera a las tuberías de distribución. En la Figura 19 se muestra en uso de un separador de gotas para evacuar esta agua. Su elección es sencilla mediante un gráfico de dimensionado. Véase la Figura 18.

Ejemplo de un dimensionado de un separador.

Determine el tamaño de un separador para un caudal de 500 kg/h a una presión de 13 bar r.

• 1. Trace una línea que una la presión con el caudal. A-B

• 2. Trace la línea horizontal B-C

• 3. Cualquier curva de separador que corta la línea B-C dentro del área sombreada operará cerca del 100% de rendimiento.

• 4. Adicionalmente, la línea de velocidad para cualquier tamaño puede determinarse trazando una línea vertical D-E. (por ejemplo 18 m/s para una unidad DN32)

• 5. También puede determinarse la caída de presión trazando las líneas E-F y A-F. el punto de intersección es la caída de presión a través del separador. (por ejemplo. Aproximadamente 0.037 bar)

Los separadores deben seleccionarse basándose en el mejor compromiso entre el tamaño de la línea, velocidad y caída de presión para cada aplicación.

Tan pronto como el vapor sale de la caldera, parte de este condensa para reponer el calor perdido a través de la pared de la tubería. El aislamiento reducirá naturalmente las pérdidas de calor, pero el flujo de calor y el grado de condensación disminuyen hasta cierta cantidad limite, y si no se toman acciones apropiadas estas cantidades se acumularán. El condensado formará góticas en la pared interior de la tubería que se unirán formando una película al ser barridas por el flujo de vapor.

El agua también irá a parar a la parte inferior de la tubería por efecto de la gravedad, y por lo tanto, el espesor de la película será mayor allí. Al pasar el vapor sobre la película de agua, se pueden levantar ondulaciones que lleguen a formar olas. Si esta acumulación continúa, las crestas de las olas se romperán, lanzando gotas de condensado sobre el flujo de vapor. El resultado es que el equipo de intercambio de calor recibe un vapor muy húmedo, que reduce en rendimiento de transmisión de calor y la vida útil de las válvulas de control. Cualquier cosa que reduzca la propensión al vapor húmedo en líneas principales o derivaciones será beneficiosa.

Un separador evacuará tanto las góticas de agua de las paredes de la tubería como la humedad suspendida en el vapor. La presencia y efecto del golpe del ariete puede erradicarse montando un separador en la tubería principal de vapor y con frecuencia será una alternativa más económica que alterar la tubería para vencer este fenómeno.

Filtros.

Cuando se instala una tubería nueva, no es raro que queden fragmentos de arena de fundición, del ensamblaje, virutas, varillas de soldar, e incluso tornillos o tuercas que hayan quedado dentro. En el caso de tuberías viejas, habrá óxido y en zonas de aguas duras, depósitos de carbonatos. De vez en cuando, algunas paredes se romperán, soltarán y pasarán a la tubería con el vapor, para acabar en el interior de algún equipo, pudiendo atascarlo, dejándolo abierto o cerrado.

Los equipos de vapor pueden también sufrir daños permanentes al rayarse – acción cortante del vapor y en agua pasando a gran velocidad a través de una válvula parcialmente abierta. Cuando una valvula se ha rayado, no volverá a procurar un cierre estanco, aunque se elimine la suciedad de ella.

Por lo tanto, es sensato montar un simple filtro en tubería delante de cada purgador, aparato de medida, válvula reductora y válvula de control. El diagrama de la Figura 20 muestra la sección de un filtro típico.

El vapor fluye desde la entrada "A", a través del tamiz perforado "B" hacia la salida "C". mientras que el vapor y el agua pasarán con facilidad a través del tamiz, la suciedad quedará retenida. Se puede quitar el tapón "D" para retirar el tamiz y limpiarlo regularmente. También es posible montar una válvula de purga en el tapón "D" para facilitar una limpieza regular.