Para los sistemas de distribución de vapor, el sistema de recuperación de condensado es clave para la optimización de la seguridad, confiabilidad y costos de operación.
El vapor se ha utilizado por largo tiempo para calentar procesos en plantas industriales y para sistemas de calefacción en instalaciones comerciales y educativas. La alta capacidad calorífica, el costo de generación relativamente bajo y la facilidad de transporte hacen que el vapor sea un método eficiente para entregar energía térmica a un proceso, pero los sistemas de distribución de vapor requieren algunas consideraciones cuidadosas. El diseño, la instalación, la operación y el mantenimiento adecuados pueden reducir significativamente el riesgo de una falla catastrófica. La eliminación eficiente de condensado no solo es clave para la seguridad y confiabilidad de cualquier sistema de distribución de vapor, sino que maximizar las tasas de recuperación puede ayudar a disminuir los costos operativos.
Eliminación de condensado
La eliminación del condensado de la red de distribución de vapor es esencial para mantener un sistema de calefacción central seguro y eficiente. Permitir que el agua entre en las salas de máquinas de los edificios y en el espacio de vapor de los sistemas de intercambiadores de calor reducirá la transferencia de calor y puede provocar daños prematuros en las juntas de las bridas, las válvulas de control y otros componentes. Permitir que el agua se acumule en la red de distribución de vapor también puede conducir a un evento potencialmente peligroso conocido como golpe de ariete.
Pueden ocurrir dos tipos de golpe de ariete en un sistema de distribución de vapor. El primero es un golpe de ariete impulsado por un flujo de vapor, que se produce cuando una gota de agua en movimiento golpea un objeto y se detiene de repente. Cuando se permite que el condensado se cumule en la parte inferior de una línea de vapor, pueden comenzar a formarse ondas u "ondas" y, finalmente, se puede recoger una babosa y llevarla corriente abajo a esencialmente la misma velocidad que el vapor. Cuando el trozo de condensado golpea una obstrucción como una válvula o un codo, la energía cinética del trozo se convierte en energía de presión y el resultado puede variar desde un ruido sutil y movimiento de la tubería, hasta casos más severos de ruptura y escape de vapor vivo.
El segundo tipo de golpe de ariete es impulsado por condensado, también conocido como martillo de vapor. El martillo de vapor ocurre cuando una bolsa de vapor está rodeada por un condensado relativamente frío y colapsa en un estado líquido. El agua en forma de vapor ocupa aproximadamente 1.600 veces más volumen que una masa equivalente como líquido, por lo que cuando el vapor se condensa en agua, se contrae en una cantidad considerable y crea un vacío. El vacío juntará el agua circundante para llenar el vacío, creando una violenta colisión. Estas colisiones ocurren casi instantáneamente y pueden ser lo suficientemente violentas como para hacer que se rompan las tuberías o las válvulas y otros componentes.
La clave para evitar cada una de estas situaciones es la eliminación adecuada del condensado, que se logra de manera más efectiva con el uso de trampas de vapor y procedimientos adecuados de arranque del sistema.
Selección de trampa de vapor
El tipo de trampa de vapor seleccionado para cualquier sistema de distribución de vapor no solo debe cumplir con los requisitos de carga y presión de suministro, sino también con los requisitos de ventilación de aire, respuesta a cambios de presión y carga, resistencia a la suciedad y resistencia al golpe de ariete. Hay tres categorías principales de trampas de vapor y cada una tiene atributos particulares que la hacen más adecuada para determinadas aplicaciones.
La primera categoría son las trampas mecánicas. Éstas incluyen:
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Flotador y termostático: estas trampas consisten en una bola unida a una palanca y un cabezal de válvula. El condensado ingresa a la trampa y eleva el flotador hasta que el nivel del líquido saca la válvula de su asiento para permitir la descarga. Un respiradero de aire perado termostáticamente ventila automáticamente el aire que se acumula dentro de la carcasa.
Ventajas: Excelentes capacidades de extracción de aire durante el arranque y durante el
funcionamiento normal.
Desventajas: limitado a sistemas de presión más baja, generalmente menos de 30 PSIG (libras
por pulgada cuadrada).
Trampas de balde invertido: un balde invertido está rodeada de agua que hace que flote. El funcionamiento de esta trampa siempre requiere que el cuerpo esté lleno de agua para cebarlo. El balde está conectado a una palanca y una válvula que opera cuando los cambios en la flotabilidad hacen que el balde se caiga, tirando la cabeza de la válvula de su asiento y descargando el aire acumulado o el exceso de condensado.
Ventajas: Excelente capacidad para soportar altas presiones.
Desventajas: capacidad limitada para descargar aire u otros gases no condensables. Puede perder cebado y fallar al abrirse con una rápida caída de presión debido a cambios repentinos de carga. Los sistemas relativamente estables, como la distribución del campus, suelen ver cambios de carga mucho más graduales.
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La segunda categoría son las trampas termostáticas. Las trampas bimetálicas son el tipo más común de trampa termostática en uso. Esta trampa está formada por tiras o discos de dos tipos diferentes de metal con diferentes coeficientes de expansión térmica. Esto significa que los dos materiales diferentes se expandirán de manera diferente a una temperatura determinada, lo que hará que el disco se doble o se arquee, lo que se puede usar para abrir o cerrar una válvula.
Ventajas: capacidad para soportar golpes de ariete y descargar grandes cantidades de condensado en relación con su tamaño físico. Puede descargar bien aire y gases no condensables, pero puede cerrarse antes de que se liberen todos los gases.
Desventajas: debido a que operan muy por debajo del punto de saturación, siempre habrá una reserva de condensado aguas arriba de la trampa. Dependen de la temperatura, por lo que el tiempo de respuesta es muy lento, lo que puede provocar fugas de vapor. También son muy susceptibles a que la suciedad obstruya el mecanismo de la válvula.
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La tercera categoría son las trampas termodinámicas. La mayoría de las trampas termodinámicas operan con un disco de flotación libre que es forzado hacia arriba y hacia abajo por los cambios de presión causados por el vapor de agua en el lado de descarga de la
trampa. Es un patrón cíclico y debido a que está cerrado por vapor flash creado a partir de condensado caliente, hay una pequeña cantidad de subenfriamiento y acumulación de condensado en el sistema. Se requiere una pierna de goteo adecuada cuando se utilizan trampas termodinámicas.
Ventajas: excelente capacidad para resistir el golpe de ariete y operar de manera uniforme en todo su rango de presión.
Desventajas: no se puede operar a presiones bajas (~ 5 PSIG y menos) o contrapresión muy alta (aproximadamente el 80 por ciento de la presión del vapor). Puede ser vulnerable a que la suciedad quede atrapada entre el disco y el asiento.
Procedimientos de puesta en marcha
Las trampas de vapor para un sistema de distribución de vapor deben tener el tamaño adecuado para manejar la presión y el perfil de carga que verán durante las condiciones de operación normales y pico, pero también se debe prestar atención a las cargas de arranque. Esto dependerá del método de puesta en marcha empleado para llevar el sistema a la temperatura y presión máximas. Los dos métodos más utilizados son el arranque supervisado y el arranque automático.
Con arranque supervisado, se instala un drenaje manual en cada tramo de goteo y se abre a la atmósfera, sin pasar por la trampa de vapor. Cuando se introduce vapor por primera vez en las líneas principales frías, estará a una presión relativamente baja y gran parte de la energía térmica del vapor se destinará a calentar las tuberías, creando una gran cantidad de condensado. A medida que la temperatura y la presión en la red de vapor aumentan, las válvulas manuales se cierran y las trampas de vapor se pueden dejar funcionar en condiciones normales. En este caso, las trampas deben dimensionarse solo para las condiciones de funcionamiento, ya que el exceso de condensado generado durante el calentamiento se drena manualmente del sistema.
Este procedimiento se utiliza con mayor frecuencia en grandes sistemas de calefacción donde la puesta en marcha no es frecuente. El arranque automático se utiliza en algunos sistemas más pequeños, donde la caldera se enciende y se pone a presión con las válvulas de distribución abiertas. En estos casos, la red de vapor y los ramales alcanzan temperatura y presión sin supervisión y se confía en las trampas de vapor para descargar el condensado generado durante el calentamiento.
Este método se usa comúnmente en instalaciones de proceso muy pequeñas que se inician con frecuencia, como las tintorerías que se apagan por la noche y se reinician cada mañana. No es común ni se recomienda emplear un método de puesta en marcha de este tipo en un sistema de distribución grande y complicado.
Costo del Condensado
Teniendo en cuenta que el costo del agua promedio es de US$ 3.5 / m 3 ( Incluye costos de ablandamiento y tratamiento químico) en una caldera de 600 BHP que opera a carga nominal 8000 horas en el año, según el combustible que utilicemos, el ahorro de dinero al maximizar el retorno de condensado será de:
Costo del vapor generando con GAS NATURAL: US$ 20 / ton vapor (promedio)
Con un retorno de condensado del 60%: Ahorro : US$ 262,841.24 / AÑO
Con un retorno de condensado del 80%: Ahorro : US$ 350,454.99 / AÑO
Costo del vapor generando con GLP: US$ 45 / ton vapor (promedio)
Con un retorno de condensado del 60%: Ahorro : US$ 408,692.78 / AÑO
Con un retorno de condensado del 80%: Ahorro : US$ 544,923.71 / AÑO
Costo del vapor generando con R500: US$ 35 / ton vapor (promedio)
Con un retorno de condensado del 60%: Ahorro : US$ 350,352.16 / AÑO
Con un retorno de condensado del 80%: Ahorro : US$ 467,136.22 / AÑO
Los ahorros potenciales son más que suficientes para ayudar a justificar proyectos de recuperación de condensado, como nuevos tanques eceptores y bombas, reparaciones de tuberías o actualizaciones del sistema.
Fuente Imagen 1: El portal Chemical Engineering World.
