Vapor Flash

Los beneficios de recuperar el vapor flash, cómo se realiza y cómo el vapor flash puede aplicarse en otras partes de la planta para maximizar la eficiencia general.​

¿Qué es el vapor flash y por qué de​be utilizarse?

El ‘vapor flash’ se libera del condensado caliente cuando su presión se reduce. Incluso el agua a una temperatura ambiente de 20°C herviría si su presión se redujera lo suficiente. Vale la pena señalar que el agua a 170°C hervirá a cualquier presión inferior a 6,9 bar g. El vapor liberado por el proceso de flash es tan útil como el vapor liberado de una caldera de vapor. Como ejemplo, cuando se toma vapor de una caldera y la presión de la caldera disminuye, parte del contenido de agua de la caldera se evaporará por flash para complementar el vapor ‘vivo’ producido por el calor del combustible de la caldera. Como ambos tipos de vapor se producen en la caldera, es imposible diferenciar entre ellos. Solo cuando el flash tiene lugar a presiones relativamente bajas, como en el lado de descarga de las trampas de vapor, se utiliza ampliamente el término vapor flash. Desafortunadamente, este uso ha llevado a la conclusión errónea de que el vapor flash es de alguna manera menos valioso que el llamado vapor vivo. En cualquier sistema de vapor que busque maximizar la eficiencia, el vapor flash se separará del condensado y se utilizará para complementar cualquier aplicación de calefacción de baja presión. Cada kilogramo de vapor flash utilizado de esta manera es un kilogramo de vapor que no necesita ser suministrado por la caldera. También es un kilogramo de vapor que no se ventila a la atmósfera, donde de otro modo se perdería. Las razones para la recuperación del vapor flash son igualmente convincentes, tanto económica como ambientalmente, como las razones para recuperar el condensado. ¿Cuánto vapor flash está disponible? Si se va a hacer uso del vapor flash, es útil saber cuánto estará disponible. La cantidad se puede determinar fácilmente mediante cálculo, o se puede leer de tablas o gráficos simples. Ejemplo 14.6.1 - Considere el recipiente con camisa mostrado en la Figura 14.6.1 El condensado entra en la trampa de vapor como agua saturada, a una presión manométrica de 7 bar g y una temperatura de 170°C. La cantidad específica de calor en el condensado a esta presión es 721 kJ/kg. Después de pasar por la trampa de vapor, la presión en la línea de retorno de condensado es 0 bar g. A esta presión, la cantidad máxima de calor que cada kilogramo de condensado puede retener es 419 kJ y la temperatura máxima es 100°C. Hay un exceso de 302 kJ de calor que evapora parte del condensado en vapor. La cantidad de vapor se calcula en el siguiente texto.

El calor necesario para producir 1 kg de vapor saturado a partir de agua a la misma temperatura, a 0 bar manométrico, es 2257 kJ. Una cantidad de 302 kJ puede por lo tanto evaporar:

De cada kilogramo de condensado en este ejemplo, la proporción de vapor flash generada equivale al 13,4% de la masa inicial de condensado.

Si el equipo que utiliza vapor a 7 bar g estuviera condensando 250 kg/h, entonces la cantidad de vapor flash liberado por el condensado a 0 bar g sería: 0,134 x 250 kg/h de condensado = 33,5 kg/h de vapor flash Alternativamente, el gráfico en la Figura 14.6.2 se puede leer directamente para las presiones moderadas y bajas que se encuentran en muchas plantas. El ejemplo mostrado en la Figura 14.6.1 se representa en la Figura 14.6.2 y muestra que se producen 0,134 kg de vapor flash por kg de condensado que pasa por la trampa.

Condensado subenfriado Si la trampa de vapor es de tipo termostático, el condensado descargado está subenfriado por debajo de la temperatura de saturación. El calor en el condensado más frío será ligeramente menor, y la cantidad de vapor flash producida sería menor. Si la trampa en el Ejemplo 14.6.1 descargara condensado a 15°C por debajo de la temperatura de saturación del vapor, entonces el calor disponible en el condensado sería menor. Ejemplo 14.6.2 Considere el condensado descargando a 7 bar g y con 15°C de subenfriamiento

Por lo tanto, en este ejemplo, el condensado descargando a una temperatura inferior a la temperatura de saturación ha reducido la proporción de vapor flash del 13,4% al 10,4%. Condensado presurizado Ejemplo 14.6.3 Considere el condensado en el Ejemplo 14.6.1 descargando a un recipiente flash presurizado a 1 bar g Si la línea de retorno estuviera conectada a un recipiente a una presión de 1 bar g, entonces se podría ver en las tablas de vapor que el calor máximo en el condensado a la descarga de la trampa sería 505 kJ/kg y la entalpía de evaporación a 1 bar g sería 2201 kJ/kg. La proporción del condensado que se evapora por flash a 1 bar g se puede calcular de la siguiente manera:

En este ejemplo, si el equipo que utiliza vapor a 7 bar g estuviera condensando 250 kg/h de vapor, entonces la cantidad de vapor flash liberado por el condensado a 1 bar g sería 0,098 x 250 kg/h = 24,5 kg/h de vapor flash.

Por lo tanto, la cantidad de vapor flash producido puede depender del tipo de trampa de vapor utilizada, la presión del vapor antes de la trampa y la presión del condensado después de la trampa.

El recipiente de recuperación de vapor flash (recipiente flash)

Los recipientes flash se utilizan para separar el vapor flash con la Directiva Europea de Equipos a Presión 97/23/CE. Después de que el condensado y el vapor flash entran en el recipiente flash, el condensado cae por gravedad a la base del recipiente, desde donde se drena, a través de una flotador, generalmente a un receptor ventilado desde donde se puede bombear. El vapor flash en el recipiente se conduce desde la parte superior del recipiente a cualquier equipo de vapor de baja presión apropiado.

Dimensionamiento de recipientes de recuperación de vapor flash

Para dimensionar un recipiente flash, se requiere la siguiente información:

• La presión del vapor antes de las trampas de vapor que suministran al recipiente.
• El caudal total de condensado hacia el recipiente flash.
• La presión del vapor flash en el recipiente flash. Utilizando esta información, junto con un gráfico de dimensionamiento de recipientes flash (ver Figura 14.6.4), se puede determinar el tamaño del recipiente. El Ejemplo 14.6.4 demuestra el dimensionamiento de recipientes flash utilizando un gráfico. Ejemplo 14.6.4 Determinar el tamaño de un recipiente flash para las siguientes condiciones: La presión en las trampas de vapor es de 12 bar g con un caudal total de condensado de 2500 kg/h. El vapor flash del recipiente se suministrará a equipos que utilizan vapor de baja presión a 1 bar g. Método:

1. Desde el eje de ‘Presión en las trampas de vapor’ a 12 bar g, mover horizontalmente hasta la curva de presión de vapor flash de 1 bar g en el punto A.
2. Descender verticalmente hasta el nivel de caudal de condensado de 2500 kg/h, punto B, y seguir la línea curva hasta el punto C.
3. Moverse a la derecha desde el punto C para encontrar la línea de flash de 1 bar g en el punto D.
4. Moverse hacia arriba hasta el tamaño del recipiente flash y seleccionar el recipiente. Para este ejemplo, se seleccionaría un recipiente flash FV8.

Requisitos para aplicaciones exitosas de vapor flash

• Si se va a hacer uso completo del vapor flash, se deben satisfacer algunos requisitos básicos:
• Es esencial tener un suministro continuo de suficiente condensado de aplicaciones que operan a presiones más altas, para asegurar que se pueda liberar suficiente vapor flash para una recuperación económica.
• Las trampas de vapor y el equipo que están drenando deben poder funcionar satisfactoriamente contra la contrapresión aplicada por el sistema de flash.
• Se debe tener cuidado al intentar la recuperación de vapor flash con condensado de equipos controlados por temperatura. Por debajo de la carga total, la presión del espacio de vapor se reducirá por la acción de cierre de la válvula de control de vapor. Si la presión del vapor en el equipo se acerca o cae por debajo de la presión de vapor flash especificada, la cantidad total de vapor flash formado será marginal, y se debe cuestionar si la recuperación vale la pena en este caso.
• Es importante que exista una demanda de vapor flash de baja presión que iguale o exceda el vapor flash producido. Cualquier déficit de vapor flash puede compensarse con vapor vivo de una válvula reductora de presión. Si el suministro de vapor flash excede su demanda, se creará presión excedentaria en el sistema de distribución de vapor flash, que entonces deberá ventilarse a través de una válvula de excedentes.
• Es posible utilizar el vapor flash del condensado en una instalación de calefacción espacial, pero los ahorros solo se lograrán durante la temporada de calefacción. Cuando no se necesita calefacción, el sistema de recuperación se vuelve ineficaz. Siempre que sea posible, la mejor disposición es usar vapor flash del condensado de proceso para suministrar cargas de proceso, y vapor flash del condensado de calefacción para suministrar cargas de calefacción. De esta manera, la oferta y la demanda tienen más probabilidades de mantenerse sincronizadas.
• Es preferible usar realmente el vapor flash cerca de la fuente de condensado de alta presión. Se utilizan tuberías de diámetro relativamente grande para vapor de baja presión, para reducir la pérdida de presión y la velocidad, lo que puede significar una instalación costosa si el vapor flash debe transportarse a cualquier distancia.

Control de la presión del vapor flash

• Otra consideración es un método para controlar la presión del vapor flash.
• En algunos casos, la presión de flash encontrará su propio nivel y no es necesario hacer nada más. Cuando la oferta y la demanda siempre están sincronizadas, y particularmente si el vapor de baja presión se usa en el mismo equipo que produce el condensado de alta presión, solo es necesario conducir el vapor flash a la planta de baja presión sin ningún otro control.
• La Figura 14.6.5 muestra la aplicación de recuperación de vapor flash a una batería de calefactor de aire multi-banco, que suministra aire de alta temperatura a un proceso. El condensado de las secciones de alta presión se lleva al recipiente flash, desde donde el vapor flash de baja presión se utiliza para precalentar el aire frío que entra en la batería a través de la bobina de congelación (precalentador). El área de superficie de la sección precalentadora y la temperatura relativamente baja del aire entrante significarán que el vapor flash de baja presión se condensa fácilmente.

Dependiendo de las temperaturas de funcionamiento, el vapor flash se condensará a alguna presión baja, quizás incluso subatmosférica. Si las condiciones del sitio y la disposición lo permiten, el recipiente flash y la trampa de vapor que drena el precalentador deben ubicarse lo suficientemente por debajo de la salida de condensado del precalentador para proporcionar suficiente carga hidrostática para empujar el condensado a través de la trampa. Si esto no es posible, se pueden usar trampas de bombeo para drenar tanto la bobina del precalentador como el recipiente flash.

El vapor condensándose en el precalentador a presión subatmosférica generalmente significará que se requiere un rompevacío en el suministro de vapor flash al precalentador. Esto evitará que la presión en la batería se vuelva subatmosférica, ayudando así al flujo de condensado hacia la trampa. El drenaje de la trampa del precalentador se induce por flujo por gravedad. La Figura 14.6.6 muestra una aplicación donde el sistema de vapor flash se mantiene a una presión constante especificada mediante vapor alimentado por una válvula reductora. Esto asegura una fuente confiable de vapor al sistema de baja presión si hay una falta de vapor flash para satisfacer la carga.

Aplicaciones típicas para el vapor flash

Oferta y demanda de vapor flash sincronizadas Esto da la máxima utilización del vapor flash disponible. La batería calefactora de aire discutida en la Figura 14.6.5 es un sistema de este tipo, pero disposiciones similares son prácticas con muchas otras aplicaciones como instalaciones de calefacción espacial usando paneles radiantes o calefactores unitarios. La Figura 14.6.6 representa un sistema donde varios calefactores son suministrados con vapor de alta presión. El condensado de aproximadamente el 90% de los calefactores se recoge y se lleva a un recipiente de recuperación de flash. Esto suministra vapor de baja presión al 10% restante de los calefactores. Con este sistema, la producción total de calor del sistema se reduce marginalmente, ya que el 10% de los calefactores operan a una presión de vapor más baja. Sin embargo, es raro encontrar una instalación que no tenga un margen suficiente de producción por encima de la carga normal para aceptar esta pequeña reducción. A veces surge un problema donde el uso del vapor flash disponible puede requerir más de un calefactor pero menos de dos. Sería mejor en este caso conectar dos calefactores al suministro de vapor flash, en lugar de ventilar el exceso de vapor flash a la atmósfera. Dos calefactores juntos generalmente reducirán la presión de flash a un nivel inferior, incluso a niveles subatmosféricos. Para hacer frente a esto, el suministro de vapor flash puede complementarse con vapor vivo de una válvula reductora de presión.

Otro ejemplo donde la oferta y la demanda están ‘sincronizadas’ es el calentador de agua caliente de almacenamiento con vapor. Algunos de estos incorporan una segunda bobina, instalada cerca del fondo del recipiente adyacente a donde entra el agua de alimentación fría.

El condensado y el vapor flash de la trampa en la bobina primaria se pasan directamente a la bobina secundaria. Aquí, cualquier vapor flash producido por la caída de presión a través de la trampa se condensa, mientras cede su calor al agua de alimentación. Una disposición típica se muestra en la Figura 14.6.7.

Otro ejemplo de esta idea se muestra en la Figura 14.6.8. Aquí, un calentador normal de vapor a agua drena condensado a través de un flotador a un intercambiador de calor tubular más pequeño (llamado condensador de flash), en el cual el vapor flash se condensa a condensado subenfriado. La unidad se instala de manera que la tubería de flujo secundario está en serie tanto con el calentador como con el condensador. Esto permite que el agua de retorno secundario sea precalentada por el condensador, reduciendo así la demanda de vapor vivo en primera instancia.

Si el condensado en el condensador de flash puede ser subatmosférico, se requiere una bomba mecánica para elevar el condensado a cualquier línea de retorno superior. El vapor motriz que sale de la bomba se condensa en el condensador de flash. El bombeo del condensado se logra entonces a un costo virtualmente nulo. Se debe considerar la carga de llenado de la bomba en el sentido de que necesita ser mayor que la caída de presión a través de los tubos del condensador de flash en condiciones de carga completa. Una carga mínima de 600 mm generalmente logrará esto.

Oferta y demanda de vapor flash no sincronizadas La disposición en la Figura 14.6.9 es un ejemplo de recuperación de vapor flash donde la oferta y la demanda no siempre están ‘sincronizadas’. El condensado de tres recipientes con camisa y un bolsillo de drenaje libera vapor flash, pero solo puede usarse para aumentar el suministro de vapor a la instalación de calefacción espacial. Esto es bastante satisfactorio durante la temporada de calefacción, siempre que la carga de calefacción exceda la disponibilidad de vapor flash. Durante la temporada de verano el equipo de calefacción no estará en uso, e incluso durante la primavera y el otoño la carga de calefacción puede no ser capaz de usar todo el vapor flash disponible. La disposición no es ideal, aunque es bastante posible que los ahorros de vapor realizados durante el invierno justifiquen el costo del equipo de recuperación de vapor flash. A veces, el exceso de vapor flash debe ventilarse a la atmósfera y, como se indica, una válvula de excedentes es más adecuada para este propósito que una válvula de seguridad, que generalmente tiene una acción de ‘pop’ o encendido/apagado y un asiento diseñado para operación infrecuente. La válvula de excedentes se ajustará para que comience a abrirse ligeramente por encima de la presión normal en el sistema. Cuando la carga de calefacción cae y la presión en el sistema comienza a aumentar, la válvula reductora de presión que suministra el vapor de reposición se cierra. Un aumento adicional de presión, quizás de 0,15 a 0,2 bar, se permite entonces antes de que la válvula de excedentes comience a abrirse para liberar el exceso de vapor flash. Una válvula de seguridad puede ser necesaria si la válvula de excedentes falla. Debe ajustarse para abrirse a una presión entre la presión de ajuste de la válvula de excedentes y la presión de diseño del sistema. Generalmente es conveniente instalar la válvula de seguridad en el recipiente flash. Ocasionalmente, durante las condiciones de verano puede ser preferible derivar el sistema de flash con una válvula manual (no mostrada en la Figura 14.6.9). El condensado y su vapor flash asociado pasarán entonces directamente a un receptor de condensado, donde el vapor flash se ventilará a la atmósfera.

Aplicaciones de recuperación de calor del purgado de caldera El purgado continuo del agua de caldera es necesario para controlar el nivel de SST (Sólidos Totales Disueltos) dentro de la caldera. El purgado continuo se presta a la recuperación del contenido de calor del agua de purgado y puede permitir realizar ahorros considerables. El purgado de caldera contiene cantidades masivas de calor, que pueden recuperarse fácilmente como vapor flash. Después de pasar por la válvula de control de purgado, el agua de menor presión fluye a un recipiente flash. En este punto, el vapor flash está libre de contaminación y se separa del condensado, y puede usarse para calentar el tanque de alimentación de la caldera (ver Figura 14.6.10). El condensado residual que drena del recipiente flash puede pasar a través de un intercambiador de calor de placas para recuperar tanto calor como posible antes de ser vertido. Hasta el 80% del calor total contenido en el purgado continuo de la caldera puede recuperarse de esta manera.

Condensación por pulverización Finalmente, se debe considerar aquellos casos donde el vapor flash se genera inevitablemente a baja presión, pero donde no hay una carga adecuada disponible que pueda hacer uso de él. En lugar de simplemente descargar el vapor flash a la atmósfera, la disposición en la Figura 14.6.11 puede adoptarse a menudo. Esta disposición puede ser útil donde la ventilación del receptor de condensado no puede conducirse al exterior, y donde la presencia de vapor flash sería perjudicial si se descarga en una sala de máquinas. Una cámara ligera de acero inoxidable se instala en la ventilación del tanque receptor. El agua fría se pulveriza en la cámara en cantidades suficientes para condensar exactamente el vapor flash. El flujo de agua de enfriamiento se controla mediante un simple control de temperatura autoactuado, ajustado para que aparezcan cantidades mínimas de vapor flash de la ventilación. El proceso usará aproximadamente 6 kilogramos de agua de enfriamiento por kilogramo de vapor flash condensado. Si el agua de enfriamiento es de calidad de alimentación de caldera, entonces el agua calentada se añade al condensado en el receptor y se reutiliza. Esto continuará generando ahorros de agua durante todo el año. Si el agua de enfriamiento no es adecuada para la recuperación, la tubería de pulverización puede instalarse como se muestra por la disposición punteada. El agua de enfriamiento y el flash condensado caerán entonces al desagüe.