Curso de vapor. Purga y eliminación de aire en instalaciones industriales (página 3)

En muchos procesos, se requiere una temperatura mínima para obtener un cambio químico o físico en el producto, en un esterilizador es esencial alcanzar una temperatura mínima. La presencia de aire nos desorientará en la lectura del manómetro y la temperatura no se podrá deducir por la presión.

Aire en el sistema.

En la puesta en marcha, el aire está presente dentro de las tuberías de vapor de suministro y en el propio equipo de vapor. Incluso cuando el sistema esté trabajando lleno de vapor puro, en la parada, el vapor al condensar creará vacío y absorbe aire en las tuberías.

El aire también puede entrar en el sistema disuelto en el agua de alimentación. A los 80°C, el agua puede disolver aproximadamente un 0,6% de su volumen de aire. La solubilidad del oxígeno es aproximadamente dos veces la del nitrógeno, así que el "aire" disuelto en agua contiene casi una parte de oxígeno por dos de nitrógeno en lugar de una parte por cuatro partes en el aire atmosférico. El dióxido de carbono tiene una solubilidad más alta, aproximadamente 30 veces mayor que el oxígeno.

El agua de alimentación de la caldera y el condensado expuesto a la atmósfera pueden absorber estos gases rápidamente. Cuando el agua se calienta en la caldera, los gases se desprenderán con el vapor y se arrastran al sistema de distribución. A menos que el agua "tratada" de la caldera se desmineralice y desgasifique totalmente, contendrá carbonato sódico soluble, del intercambio químico de los procesos de tratamiento de agua. El carbonato sódico puede disociarse en la caldera y de nuevo se desprende dióxido del carbono.

En calderas de alta presión, el agua de alimentación pasa a menudo a través de un desaireador antes de ser bombeada a la caldera. Los mejores desaireadores pueden reducir los niveles de oxígeno a 3 partes por millón en agua. Este oxígeno residual se puede tratar con un tratamiento químico. Sin embargo, semejante cantidad de oxigeno estará acompañada por aproximadamente 6 partes por millón de nitrógeno que no será tratado químicamente. Si la caldera es de tamaño medio, que produce 10 000 kg de vapor por hora y usa aproximadamente 10 000 litros de agua por hora, a su vez producirá 60 cm³ de nitrógeno. Este se irá acumulando y con el tiempo afectará significantemente en la trasferencia de calor si no se elimina del sistema.

Incluso los mejores tratamientos físicos y químicos permitirán que algunos gases incondensables sin tratar sean arrastrados con el vapor desde la caldera. El aire está más extendido en sistemas de vapor de lo que se pueda creer y puede causar una limitación en el rendimiento y corrosión del equipo.

Indicaciones del aire.

• Una bajada gradual en el rendimiento de cualquier equipo calentado por vapor.

• Burbujas de aire en el condensado.

• Corrosión.

La eliminación de aire de los sistemas de vapor es imprescindible. En las siguientes páginas se discutirá el problema con la aplicación de eliminadores de aire.

Eliminación del aire.

Los medios más eficaces para la eliminación de aire son con dispositivos automáticos. El aire mezclado con vapor hace bajar la temperatura de la mezcla. Este hecho permite que un dispositivo termostático basado en la presión equilibrada o el principio bimetálico lo elimine de los sistemas de vapor. Una eliminador de aire montado en el espacio vapor de un recipiente (Fig. 94) o al final de una tubería principal de vapor (Figura 95) abrirá cuando haya aire. Para la máxima eliminación de aire, la descarga deberá ser lo más libre posible. A menudo, se monta una tubería para que descargue a un lugar seguro, preferentemente no una línea de retorno de condensado que podría restringir la descarga libre de aire y también podría producir corrosión.

Cuando una eliminador de aire está montado en un by-pass de un purgador (Figura 96), trabajará como un purgador después de haber eliminado el aire y de vez en cuando puede descargar condensado. En tales casos es necesario reconectar el eliminador de aire a la línea de condensado después del purgador.

Si la línea de descarga de condensado de un purgador se eleva a un nivel más alto, la línea anegada impone una contrapresión en el purgador y el eliminador de aire. La facilidad de descarga de aire del eliminador se reducirá, sobre todo en la puesta en marcha. Lo mismo ocurre cuando el eliminador de aire está incorporado dentro del purgador. Cuando la forma del espacio vapor de aplicación y la situación de la entrada del vapor significa que la mayor parte del aire saldrá a través de la salida de condensado, es preferible que las líneas de la descarga del purgador de vapor y del eliminador de aire no suban a un nivel alto.

Selección de la ubicación del eliminador de aire.

Cuando un espacio de vapor tiene una sección transversal relativamente pequeña, el vapor que entre actuará como un pistón y empujará el aire a un punto remoto de la entrada del vapor. Este "punto remoto" normalmente es la mejor ubicación para el eliminador de aire. En el caso mostrado en Figura 97, parte del aire pasará a través de la salida del condensado, o a través del purgador o por un bypass. El resto del aire se puede agrupar como se indica y formar un punto frío en la superficie de calentamiento. La unidad no se calentará uniformemente y puede causar una distorsión en equipos como las planchadoras.

Ya que la mezcla de aire / vapor es más densa que el vapor puro a la misma presión, normalmente basta con instalar un purgador con capacidad de eliminación de aire colocado en un nivel bajo.

Sin embargo, la manera de trabajar del purgador hace que el condensado forme un sello de agua en la entrada del purgador que puede impedir que el aire llegar al purgador. Un eliminador automático conectado al espacio vapor en un nivel superior al del condensado, suele ser la mejor elección. A menudo es conveniente y lo suficientemente efectivo el conectarlo en la parte superior del espacio de vapor como muestra la Figura 97.

En el caso de dos espacios vapor del mismo tamaño y forma pero con la entrada de vapor en diferentes posiciones, la situación del eliminador de aire podría ser distinta. En las Figuras 98 y 99, el condensado es drenado del fondo de ambos espacios pero con la entrada de vapor por el fondo, en la puesta en marcha, el aire tenderá a ser empujado al punto más remoto que está en la parte superior. El eliminador de aire puede colocarse mejor en la parte superior aunque un purgador de boya-termostático eliminará el aire residual que se encuentra en el fondo del recipiente.

Con entrada de vapor por la parte superior, en la puesta en marcha, el aire tenderá a ser empujado al fondo y se debe eliminar por la parte inferior. Normalmente, se usará un purgador con una alta capacidad de eliminación de aire como un purgador de boya-termostático, como muestra la Figura 99. Sin embargo, para asegurar que elimine completamente el aire durante las condiciones de trabajo, se puede colocar un eliminador de aire en la parte superior del recipiente (como muestra la Figura 98) que puede ser beneficioso, sobre todo en recipientes con forma irregular.

Líneas principales de vapor saturado.

La línea de vapor principal es un espacio de vapor largo con una sección transversal pequeña. Cuando se abre el vapor, sigue la tubería como un pistón, empujando el aire que hay delante de él. Un eliminador de aire instalado al final de la línea, como muestra la Figura 78, página 84, eliminará la mayor cantidad del aire. El eliminador se instalará en la parte superior de la tubería o, por lo menos, en un punto sobre el nivel esperado de condensado.

Líneas principales de vapor recalentado.

Generalmente, sólo requieren eliminación de aire en la puesta en marcha. Se necesita un tipo de eliminador de aire robusto y por tanto uno del tipo bimetálico sería el mejor a emplear.

Calderetas de doble fondo.

Éstas son aplicaciones donde puede ser difícil la situación del eliminador de aire. El aire disuelto en el producto frío sale de la solución mientras se calienta la caldereta y las burbujas aparecen en el lado de la camisa del producto. Los puntos donde no burbujea revelan puntos fríos que indican donde el aire se está agrupando dentro de la camisa.

Con el purgador equivocado y sin eliminador de aire, es probable que el hervido ocurra en último lugar con el filtro de la camisa cerca de la salida del condensado y en la parte superior en el punto opuesto a la entrada de vapor. El purgador de vapor óptimo será uno de tipo boya con eliminador de aire, colocado debajo de la caldereta, permitiendo que el condensado y aire baje al desagüe o a un receptor y bomba. La mejor situación del eliminador de aire es el punto opuesto a la entrada de vapor en el punto más alto, donde a menudo existe una conexión para este propósito, (Figura 59, página 69).

Una caldereta basculante requiere un purgador de boya con un dispositivo antibloqueo vapor para eliminar el condensado por un tubo sifón que pase por la junta rotativa. Si en el diseño del modelo no se ha incluido un eliminador de aire, entonces un eliminador de aire en paralelo al purgador mejorará el rendimiento.

Igualmente, el purgador debe ponerse en la parte inferior de la salida, (Figura 60, página 70).

Cilindros rotativos.

Un caso de interés especial es el cilindro secador usado en muchas industrias de procesos. Se alimenta vapor a un cilindro horizontal a través de una junta rotativa en un extremo y el material que se está procesando está en contacto con la superficie exterior del cilindro. El condensado se descarga a través de una tubo sifón que pasa por la misma junta rotativa.

Con cilindros de cierto tamaño, el volumen de aire a descargar en la puesta en marcha es grande. El aire que se acumula dentro del cilindro durante el funcionamiento normal produce puntos fríos en la superficie que origina un calentamiento defectuoso. Eliminar el aire automáticamente es primordial y debe lograrse necesariamente para obtener los resultados esperados.

El mejor purgador es el tipo de boya-termostático con un dispositivo antibloqueo vapor (FT-C), pero, a menudo, se necesita un eliminador de aire aparte debido a la gran cantidad de aire que se ha de eliminar. La experiencia nos demuestra que lo mejor es instalarlo en un separador de aire en la salida de condensado, como nos muestra la Figura 100.

Unidades de eliminación de aire.

El eliminador de aire automático es una válvula que trabaja termostáticamente y se instala en un lugar donde le llega el vapor y aire pero no el condensado. Si el eliminador de aire está instalado próximo a un cilindro secador, con una temperatura próxima a la de saturación del vapor, entonces el calor puede mantener el eliminador de aire cerrado o ralentizar su funcionamiento. Se recomienda por consiguiente que eliminador de aire y su tubería de conexión estén sin aislamiento para que trabaje correctamente.

Aquí, será mejor instalar el eliminador de aire al final de una longitud de tubería de aproximadamente 300 mm que hace un acumulador de aire y permite que haya un gradiente de temperatura desde el espacio vapor del calentador hasta el eliminador de aire. De la misma manera, los separadores de aire mencionados anteriormente pueden utilizarse como unidades de eliminación de aire. Cuando los eliminadores de aire descargas, lo hacen con una mezcla aire / vapor. Es fácil pensar que sea vapor puro y la conclusión lógica sea creer que el eliminador de aire está fugando.

Si trabaja normalmente, la cantidad de descarga deberá ir reduciéndose y finalmente cesar. Si el eliminador de aire continúa descargando durante un periodo largo de tiempo sin dar señales de cerrar, podría estar defectuoso y convendría inspeccionarlo.

By-pass de purgadores.

En el pasado colocar un by-pass manual alrededor de un purgador era muy corriente, normalmente se abrían en la puesta en marcha. Ya que durante la puesta en marcha la carga de condensado raramente es el doble que la carga normal de trabajo y que los purgadores generalmente tienen capacidades del condensado con factores de seguridad considerablemente superiores a esto, parece ser que la función real de los by-passes es la de descargar aire. Esto permite al condensado alcanzar el purgador. A menudo se encuentra un by-pass alrededor de los purgadores de cubeta invertida que son lentos eliminando el arre. El conjunto puede hacerse automático y eficaz simplemente reemplazando la válvula de by-pass manual con una eliminador de aire automático. Los by-passes manuales tienden a olvidarse y dejarse abiertos, creando pérdidas de vapor potenciales.

Eliminación de aire agrupado.

Los diseñadores de equipos a vapor piensan a veces en reducir los gastos conectando los puntos remotos de dos o más espacios vapor y colocando un solo eliminador de aire, en lugar de usar eliminadores de aire individuales para cada espacio vapor. Es improbable que esta disposición tenga éxito. Una batería calefactora puede tener una línea de suministro común para todos los serpentines con una sola válvula del control. Aquí, el eliminador de aire puede cerrar cuando el vapor alcanza una sección. El aire, presente en las otras secciones, no alcanzaría el eliminador para abrirlo. Después, el vapor en el cuerpo del eliminador de aire condensa y se reemplaza de nuevo. De nuevo, cuando el vapor entrante proviene del serpentín, contiene un mínimo de aire, el eliminador tiende a cerrar rápidamente. Las mezclas de aire / vapor de los otros serpentines no tienden a fluir hacia el lugar del eliminador. La eliminación de aire agrupada no tiene éxito y debe evitarse así como la purga agrupada de condensados.

Eliminación de grandes caudales.

La capacidad de un eliminador de aire depende del tamaño del orificio, de la presión diferencial en el asiento y las propiedades del gas que se elimina. En algunos casos, los espacios de vapor son muy grandes, como en los esterilizadores grandes y autoclaves en la industria alimentaria, autoclaves grandes de vulcanizado, etc. La cantidad de aire que se ha de eliminar puede ser entonces tan grande que se necesitarán un gran número de eliminadores de aire en paralelo. Una respuesta alternativa es usar un control auto accionado, montado como en la Figura 101.

La válvula tiene un diseño adecuado para el uso con vapor. La válvula se posiciona por el sistema de control y el sensor de temperatura se monta aguas abajo de la válvula. La temperatura se ajusta a 100°C, y un poco por debajo de este valor. Ya que la presión en la tubería donde está el sensor de temperatura es atmosférica, la temperatura en este punto será de 100°C si después de fluir a través de la válvula al sensor le hubiese llegado vapor libre de aire. A esta temperatura, la válvula, sencillamente, cerrará. Si hubiese una temperatura más baja en la zona del sensor significará que hay un poco de aire y la válvula se abrirá ligeramente.

Colocando el sensor de temperatura de esta manera, aguas abajo de la válvula donde la presión de la línea es atmosférica, anula el efecto de la presión en la válvula aguas arriba de la válvula. El sistema de control sólo tiene que cerrar la válvula cuando la temperatura del sensor alcanza 100°C y lo abre a temperaturas más bajas. Esta disposición hace que sea bastante práctico usar válvulas eliminadoras de aire tan grandes como DN50 que permiten descargar los grandes volúmenes de aire.

Eliminación de aire a través de purgadores.

Cualquier purgador de vapor termostático, de presión equilibrada de cápsula o fuelle, o el tipo bimetálico, pueden usarse como eliminadores de aire. Por supuesto, la unidad debe ser una que reacciona rápidamente a los cambios de temperatura y los purgadores que incorporan tiras bimetálicas de grandes dimensiones son, probablemente, los menos convenientes. ¿Pero, si un purgador termostático se usa principalmente para desalojar condensado, con qué eficacia eliminará aire?

Puesto que el purgador estará abierto en la puesta en marcha cuando se abre el vapor, deberá descargar el aire que es empujado hacia él y el aire que hay al principio deberá descargarse por el purgador.

Sin embargo, durante el funcionamiento normal, el purgador no puede ser realmente tan eficaz como una eliminador de aire.

Como purgador de vapor, cerrará ante condensado con una temperatura un poco por debajo de la de saturación, y no soplará vapor. Por consiguiente, teniendo un sifón de agua en la entrada del purgador, los no-condensables se mantendrán dentro del espacio de vapor de proceso junto con el condensado durante un periodo corto.

Cuando, eventualmente, el condensado en el purgador pierde algo de su calor, entonces se abrirá el purgador y descargará el condensado y la mezcla de aire / vapor.

Probablemente, el purgador de vapor más eficaz para eliminar aire de un espacio de vapor es un purgador de boya con un eliminador de aire incorporado. Como el condensado alcanza siempre al purgador durante el funcionamiento normal, no se retrasará el paso de los no-condensables al eliminador de aire.

Hay que tener claro que el dispositivo automático que se usa para descargar la mezcla de aire / vapor, ya sea purgador de vapor o eliminador de aire, ha de colocarse sobre el nivel de agua del purgador. En los demás casos, añadir eliminadores de aire en las posiciones donde la mezcla de aire / vapor puede alcanzarlos bajo todas las condiciones puede proporcionar resultados beneficios sin comparación con el coste adicional que implica.

Rompedores de vacío.

Pueden utilizarse rompedores de vacío en momentos de parada del sistema cuando pueden experimentarse presiones subatmosfericas dentro del espacio que contiene el vapor. Si se colocan estratégicamente, permitirán que el condensado baje por gravedad al punto de desagüe. Al permitir eliminar completamente el condensado del sistema, se evitará el temor de golpes de ariete en la próxima puesta en marcha del sistema.

Perdidas de energía en purgadores.

Se ha escrito mucho sobre este asunto, gran parte es inexacto o se ha malinterpretado deliberadamente para justificar el uso de los purgadores de ciertos fabricantes.

El argumento de reemplazar un tipo de purgador con otro y afirmar que se ahorra vapor puede ser real o imaginario. La verdad es que reemplazando cualquier grupo de purgadores por unos nuevos, reducirá inevitablemente el consumo de vapor porque cualquier purgador que fugue se eliminará. Esto no dice nada sobre los méritos respectivos de los purgadores viejos y de los nuevos.

En otros casos, se han llegado a cabo pruebas para establecer "el desperdicio de vapor". Estas pruebas se llevan a cabo bajo condiciones sin carga que son poco realistas e intentan sobrevalorar la cantidad de energía perdida a través del purgador.

Se ignora convenientemente la pérdida de energía del purgador debido a radiación que también aumentará la carga de condensado. Sin embargo, estas pérdidas ocurrirán siempre y están directamente relacionadas al tamaño y la forma del cuerpo.

El observador imparcial se desconcertará con la información subjetiva creada principalmente para que surja interés en un producto. Merece la pena por consiguiente volver a los principios y considerar los requisitos de energía inherentes de los tipos principales.

Purgadores termostáticos.

Bajo condiciones normales de trabajo, los purgadores termostáticos retienen el condensado hasta que se haya enfriado a una cierta temperatura. El vapor no alcanza la válvula principal, por tanto no hay una aparente fuga de vapor.

Sin embargo, el anegamiento de la planta puede reducir el rendimiento. Los procesos pueden alargarse o se puede necesitar calentadores o superficies de calentamiento adicionales. Se puede necesitar más vapor aunque esto no aparecerá como un requisito de energía atribuible al purgador de vapor.

En algunos casos puede incorporarse un tramo de enfriamiento para que el espacio vapor esté libre de condensado. Por tanto se pierde energía por la radiación del tramo de enfriamiento y por el cuerpo del purgador. Esto en sí mismo crea una carga adicional de condensado, pero no pasa vapor por el purgador.

La situación puede cambiar bajo condiciones sin carga. La pérdida de calor del cuerpo del purgador enfría el condensado que rodea el elemento que entonces abre. Se descarga una cantidad mínima de condensado y se reemplaza por vapor. Sin embargo, debido a la histéresis, el elemento aún tiene que responder y se perderá algo de vapor vivo. Las pruebas de laboratorio indican pérdidas de hasta 0,5 kg/h. Irónicamente, bajo condiciones frías, al exterior, aumentará la pérdida de calor del purgador y la perdida de vapor vivo a través del purgador probablemente será menor.

Si se reviste con aislante un purgador termostático se producirá un retraso en la apertura del purgador. Se producirá un anegamiento serio, por tanto no se recomienda poner aislante.

Purgador mecánico.

El purgador de boya-termostática es otro ejemplo donde la válvula y asiento normalmente están inundadas y por tanto no debe haber ninguna pérdida de vapor a través del purgador. Por otro lado, el purgador de boya-termostático es relativamente grande y por consiguiente puede haber una pérdida notable del purgador causada por radiación. Debe mencionarse el eliminador de aire termostático integrado en este tipo de purgador y situado en el espacio vapor sobre el nivel de agua en el purgador. Una vez el aire inicial se ha eliminado, permanecerá normalmente cerrado y no habrá ninguna pérdida.

Se puede revestir con aislante el purgador de boya-termostático para reducir pérdidas de calor sin que afecte su funcionamiento. Se recomienda revestir con aislante en aplicaciones al aire libre para minimizar el peligro de daños producidos por heladas durante las paradas.

Sorprendentemente, el purgador de cubeta invertida tiene poco en común con el purgador de boya. El purgador cierra cuando entra el vapor y burbujea dentro de la cubeta haciendo que flote. No abrirá hasta que el valor se ha disipado.

Esto ocurrirá mientras el vapor pasa a través del agujero en la cubeta que sirve como eliminador de aire. El vapor se acumulará en la parte superior del propio purgador y cuando aire la válvula principal, este valor se elimina.

Pruebas de laboratorio indican pérdidas de alrededor de 0,5 kg/h para los purgadores de ½" bajo condiciones de carga bajas. Sin embargo, hay la pérdida de la radiación adicional del cuerpo que es bastante grande. A veces se recomienda revestir con aislante pero la pérdida de calor y el condensado resultante será igual que con el purgador de boya equivalente.

Purgadores termodinámicos.

Este tipo ha atraído la mayor atención bajo la etiqueta de derrochar vapor. El funcionamiento es que el condensado con temperatura próxima al vapor produce revaporizado en el orificio y hace que el purgador cierre. Esto lo hace con el condensado aguas arriba y de nuevo por estar inundada la válvula no pueden haber fugas a través del purgador. Sin embargo el purgador abrirá periódicamente según se pierda calor por la tapa.

Bajo condiciones sin carga, es decir sólo cuando se produce condensado por la pérdida de calor de la tubería aguas arriba, el condensado aguas arriba puede agotarse y entonces, el purgador requerirá una pequeña cantidad de vapor vivo para cerrar. Mucho dependerá de las condiciones ambientales pero la pérdida generalmente estará alrededor de 0,5 Kg/h y con tiempo severo podría ser el doble. Por otro lado, tales pérdidas pueden reducirse a la mitad simplemente montando una tapa aislante en la parte superior de la tapa.

Lo más importante es recordar que estas pérdidas desaparecen según aumenta la carga de condensado, mientras que las pérdidas por radiación del purgador son mínimas debido a su tamaño pequeño.

Las pruebas independientes han mostrado que estas pérdidas de radiación no son superiores a 0,25 kg/h que son, por lo menos, una cuarta parte de la de los purgadores de cubeta invertida de igual tamaño.

Hay que mencionar las cifras engañosas citadas por varias fuentes.

Tienen sus orígenes en pruebas llevadas a cabo simultáneamente en un elevado número de purgadores termodinámicos. Algunas pruebas se llevaron a cabo -45°C midiendo la pérdida de vapor acumulativa.

El efecto que se buscaba al comprobar con temperaturas extraordinariamente bajas y bajo condiciones sin carga fue realizar una prueba acelerada de vida. La pérdida a través de un número promedio de pequeños defectos da una curva que muestra pérdidas que aumentan con el tiempo. Como ya se indicó, el tipo termodinámico es de gran simplicidad que o funciona correctamente o falla. Sugerir una pérdida variable es totalmente engañoso y fundamentalmente erróneo.

Comparaciones.

Cuantificar los requisitos de energía de los purgadores no es una tarea fácil. Puede perderse energía a través del purgador pero esto puede depender de la carga. Se perderá energía en el purgador debido a la radiación, aunque esta se puede reducir considerablemente revistiendo con aislantes.

La tabla 2 resume los requisitos de energía de una variedad de purgadores de ½" a 5 bar r. Claramente los purgadores varían en tamaño y rendimiento, por tanto, las figuras solo deben servir como una guía.

El propósito de la Tabla 2 no está en establecer el hecho de que un tipo de purgador es marginalmente más eficaz que otro. Simplemente es resaltar que los purgadores de vapor requieren sólo una cantidad mínima de energía. Pérdidas sólo son significantes cuando los purgadores son defectuosos. Lo importante es por consiguiente combinar la selección, comprobación y mantenimiento para conseguir fiabilidad. Si se hace correctamente, se minimizarán los costes y se evitaran los derroches de vapor.

Normativas europeas relacionadas con purgadores

Tablas de vapor.

Tablas de conversión.

Autor:

Msc. Javier Fernández Rey

La Habana, Cuba, 2015