SISTEMAS DE VAPOR
Selección del tamaño de trampas para vapor
EL TAMAÑ O N E CE SARIO D E UN A TRAMPA DE VAPOR PARA UNA APLICACIÓ N D AD A, PU PUE E D E SE R D E TE TER RMIN INA AD O E N TR TRE E S E TA TAPA PAS S
ETAPA 1 Recolectar la información necesaria: 1. Calcule o estime la carga máxima de condensado (caudal de condensado). Si el equipo opera con diferentes presiones de vapor, debe tomarse en cuenta la carga máxima de condensado a la presión mínima de vapor. 2. Presión a la entrada de la trampa (esta puede ser mucho menor que la presión en las tuberías principales de vapor). 3. Contrapresión contra la cual debe operar la trampa. (Ver tabla)
ETAPA 2 Aplique un factor de seguridad Con la información de la etapa 1, aplique un factor de seguridad que puede variar desde 1,25 a 1 como de 6 a 1, dependiendo de: 1.
La aplicación: En algunas aplicaciones hay grandes trabajos de calentamiento de aire en grandes cantidades, y cargas intermitentes muy superiores al régimen medio de condensación. Un brazo colector de diámetro mayor puede solucionar, en parte el problema, pero puede ser necesario utilizar un alto factor de seguridad.
ETAPA 2 2.
El tipo de trampa elegido: Las trampas termodinámicas, de flotador y termostáticas y de expansión líquida, que responden inmediatamente a la presencia de condensado, permiten factores de seguridad tan bajos como 1,25 a 1. Las trampas de balde y presión equilibrada, que deben esperar a que el vapor pase a través de un pequeño orificio en un balde o que el condensado se enfríe, requieren un mayor factor.
3.
Precisión de los datos de la presión y de la carga de condensado: La precisión del cálculo de la presión de operación y carga de condensado afectará el factor de seguridad que se aplique. En algunos casos, un factor de 1,5 a 1, como margen de error en una estimación a grandes rasgos, puede ser necesario.
ETAPA 3 Utilice las tablas de capacidad de los fabricantes para elegir e l tamaño apropiado de la trampa Asegúrese que las tablas de capacidad estén basadas en condiciones de operación reales con condensado caliente y no con agua fría. Al seleccionar trampas de vapor para drenar tuberías principales de vapor e intercambiadores de calor que deben ser mantenidos libres de condensado en todo momento, asegúrese que las tablas de capacidad estén basadas en condensado “ a la temperatura de vapor saturado ”. No sobre capacite las trampas de vapor . Las trampas de vapor son, ocasionalmente, subcapacitadas, pero más a menudo ellas son sobredimensionadas. En algunas plantas, la capacidad combinada de las trampas, debido a la sobrecapacitación, será de 10 a 15 veces el consumo total de vapor de la planta.
ETAPA 3 (cont..)
1.
2.
3.
Dejando a un lado la inversión inútil en la compra, las trampas sobrecapacitadas pueden ser una fuente de dificultades tales como: Algunas trampas, tales como las de balde invertido y termostáticas de presión equilibrada, darán una menor eficiencia térmica. Las trampas que tienen una descarga intermitente, pueden descargar simultáneamente con regímenes de flujo extremadamente altos, produciendo contrapresiones anormales. Las trampas sobrecapacitadas con descarga intermitente pueden producir regímenes de flujo repentinos que contribuirán a golpes de ariete.
En toda instalación de vapor, debemos tener en cuenta la pérdida de calor de las cañerí as as de transporte y distribución. Durante el perí odo odo de puesta en marcha, la velocidad de condensación es máxima y las trampas para vapor se deben diseñar para poder drenar todo el condensado que se forma. En estado de régimen habrá una pequeña pero continua pérdida de calor por radiación de la cañerí a. a. Ambas velocidades de condensación se pueden calcular f ácilmente.
Velocidad de condensación en la puesta en marcha Al comenzar a circular vapor, la cañería se calienta hasta alcanzar la temperatura de trabajo. La velocidad de condensación depende de la duración del calentamiento, la cual se determina prácticamente. La regulación del tiempo se efectúa mediante la apertura, relativamente rápida, de la válvula de paso de vapor. Cuanto mayor sea el tiempo consumido en esta operación, serán menores la velocidad de condensación y el riesgo de golpe de ariete.
Velocidad de condensación en la puesta en marcha La velocidad de condensación se puede expresar:
Q=
W × (T - t )× Cp× 60 L× n
Donde: Q: Caudal de condensado (kg/h) T: Temperatura del vapor (°C) t: Temperatura ambiental (°C) Cp: Calor específico del acero (0,49 kJ/(kg°C) W: Peso total de la cañería y todos los accesorios (kg) n: Tiempo de calentamiento (minutos) L: Calor latente del vapor (kJ/kg)
Velocidad de condensación en la puesta en marcha Puede ocurrir que la cañería se caliente antes de lo previsto, dando lugar a la formación de mayor cantidad de condensado. Por esta causa, las trampas se deben dimensionar usando un factor de seguridad de 3. También es necesario colocar venteos que permitan eliminar el aire contenido en las cañerías al comenzar el proceso, pues, en caso contrario, las trampas quedarán bloqueadas por aire.
EJEMPLO Determinar la velocidad de condensación al calentar una cañería de acero de 91,5 m de longitud y de 100 mm de diámetro, con 18 uniones bridadas BST “H” y una válvula de cierre. La temperatura inicial (ambiental) es de 8°C y la presión de vapor es 14 bar man (calor latente es 1947 kJ/kg – temperatura 198,5°C). El tiempo empleado en el calentamiento es de 30 minutos. Sabemos que: W × (T - t ) × Cp × 60 Q= L× n
EJEMPLO Para encontrar W determinamos los pesos de los distintos elementos de la cañería de la tabla 1: Cañería de acero de 100 mm: 14,9 kg/m Bridas BST “H” de 100 mm: 16,1 kg Válvula de cierre de 100 mm: 90,7 kg Por lo tanto: W = (91,5 ×14,9 ) + (18 ×16,1) + (1× 90,7 ) = 1743,85 kg
EJEMPLO Y entonces:
Q=
1743,85 × (198,5 - 8) × 0,49 × 60 1947 × 30
=
167,2 kg/h
Este caudal de condensado debe multiplicarse por un factor de seguridad de 3; luego se divide el resultado obtenido por el número de trampas instaladas, y se determina la capacidad de cada trampa.
PÉRDIDAS POR RADIACIÓN Cuando la cañería alcanza la temperatura de trabajo, la condensación continua para compensar las pérdidas por radiación. La velocidad de condensación depende de la temperatura del vapor, de la temperatura ambiental y del tipo de instalación. En la tabla 2 están tabuladas las pérdidas por emisión de calor, para caños de acero sin aislar.
Si la cañería está unida por bridas se puede considerar que cada par de bridas tiene, aproximadamente, la misma superficie que 0,3 m de cañería del mismo diámetro.
PÉRDIDAS POR RADIACIÓN
Normalmente, tanto la cañería como las bridas, están aisladas. El efecto del aislamiento sobre las pérdidas de calor depende del tipo y espesor del material aislante y de su estado de conservación. En general, se puede considerar que la aislación reducirá las pérdidas al 25% respecto de cañerías no aisladas.
PÉRDIDAS POR RADIACIÓN Por lo tanto, la pérdida de calor en cañerías aisladas se puede expresar como sigue: Donde:
Q=
E × I × 0,9 L
Q: Caudal de condensado (kg/h) E: Emisión de calor (w/m) tabla 2 I: Longitud equivalente de la tubería (m) L: Calor latente del vapor (kJ/kg)
EJEMPLO Usando los mismos datos del ejemplo anterior determinaremos la velocidad de condensación debido a pérdidas por radiación. Considerando una longitud equivalente térmica de 0,3 m de cañería de acero por cada juego de bridas y 1,2 m por cada válvula de cierre, la longitud equivalente total (l) será:
l = 91,5 + (18 × 0,3) + (1× 1,2 ) = 98,1 m La temperatura del vapor a 14 bar es de 198,5 °C. Por lo tanto, la diferencia de temperatura es 190,5 °C. El calor latente del vapor a 14 bar es 1947 kJ/kg y la pérdida por emisión de calor es 1271 W/m (tabla 2)
EJEMPLO Entonces: Q=
1271× 98,1× 0,9 1947
=
57,6 kg/h
Hemos calculado así la condensación producida por el calentamiento de la cañería y por radiación. Para dimensionar las trampas a instalar, multiplicamos el caudal de condensado producido durante la puesta en marcha por un factor de seguridad de 3. La trampa dimensionada con esta capacidad, podrá drenar el condensado producido por la radiación sin ninguna dificultad.
