Disposición de las Líneas de Retorno de Condensado

Consideraciones que rodean el diseño y la disposición de las tuberías de retorno de condensado, incluyendo las líneas de drenaje a las trampas de vapor, las líneas de descarga de las trampas, las líneas de retorno comunes y las líneas de retorno bombeadas. Incluye el efecto de los tipos de trampa utilizados, el efecto de diferentes presiones y la descarga de condensado en líneas principales inundadas.

Disposición de las Líneas de Retorno de Condensado

Ningún conjunto único de recomendaciones puede cubrir la disposición de las tuberías de condensado. Mucho depende de la presión de la aplicación, las características de la trampa de vapor, la posición de la línea principal de retorno de condensado respecto a la planta, y la presión en la línea principal de retorno de condensado. Por esta razón, es mejor comenzar considerando lo que se debe lograr, y diseñar una disposición que asegure que se cumplan las buenas prácticas básicas. Los objetivos principales son que:

• El condensado no debe acumularse en la planta, a menos que el aparato que usa vapor esté específicamente diseñado para operar de esta manera. Generalmente, los aparatos están diseñados para operar sin inundar, y en este caso, el condensado acumulado inhibirá el rendimiento y fomentará la corrosión de tuberías, accesorios y equipos.
• El condensado no debe acumularse en la línea principal de vapor. Aquí puede ser arrastrado por vapor de alta velocidad, provocando erosión y golpe de ariete en las tuberías. El tema de las tuberías de condensado se dividirá naturalmente en cuatro tipos básicos donde los requisitos y consideraciones de cada uno diferirán. Estos cuatro tipos básicos se definen e ilustran en la Figura 14.2.1.

Líneas de drenaje a las trampas de vapor

En la línea de drenaje, el condensado y cualquier gas incondensable deben fluir desde la conexión de drenaje de la planta hasta la trampa de vapor. En una línea de drenaje correctamente dimensionada, la planta que se está drenando y el cuerpo de la trampa de vapor están prácticamente a la misma presión y, por esta razón, el condensado no se evapora por flash en esta línea. La gravedad es la fuerza impulsora y se confía en ella para inducir el flujo a lo largo de la tubería. Por esta razón, tiene sentido que la trampa se sitúe por debajo de la salida de la planta que se está drenando, y que la tubería de descarga de la trampa termine por debajo de la trampa. (Una excepción a esto son las bobinas de calentamiento de tanques discutidas en el Módulo 2.10). El tipo de trampa de vapor utilizada (termostática, termodinámica o mecánica) puede afectar la disposición de la tubería. Trampas de vapor termostáticas Las trampas termostáticas enfriarán el condensado por debajo de la temperatura de saturación antes de descargarlo. Esto efectivamente inunda la línea de drenaje, permitiendo a menudo que el condensado retroceda e inunde la planta. Hay algunas aplicaciones donde el subenfriamiento del condensado tiene ventajas significativas y se fomenta. Se produce menos vapor flash en la línea de descarga de la trampa, y la introducción de condensado en la línea principal de condensado es más suave. Las trampas termostáticas que descargan a través de tubería abierta desperdiciarán menos energía que las trampas mecánicas porque más del calor sensible en el condensado inundado transfiere su calor al proceso; un ejemplo típico es el de una línea de trazado de vapor. Las trampas termostáticas no deben usarse para drenar líneas principales de vapor o intercambiadores de calor, a menos que se dé la debida consideración a una línea de drenaje más larga y/o más grande que actúe como reservorio y disipe calor a la atmósfera. La longitud extra (o diámetro mayor) de la línea de drenaje requerida para esto generalmente es impráctica, como se muestra en el Ejemplo 14.2.1. Ejemplo 14.2.1 Un calefactor de aire de 30 kW se equipará con una trampa de vapor termostática DN15, que libera condensado a 13°C por debajo de la temperatura de saturación. La presión de trabajo normal es 3 bar g, la temperatura ambiente es 15°C, y la pérdida de calor de la línea de drenaje al entorno se estima en 20 W/m2 °C. Determinar la longitud mínima requerida de línea de drenaje de 15 mm a la trampa termostática. De las tablas de vapor, a 3 bar g:

Como la trampa descarga a 131°C, la línea de drenaje debe emitir suficiente calor para que el condensado a la salida del calefactor esté a la temperatura de saturación, y que el condensado no retroceda hacia el calefactor. La pérdida de calor requerida de la línea de drenaje se puede calcular usando la Ecuación 2.6.5.

Esta pérdida de calor se logrará a partir de la temperatura media del condensado a lo largo de la línea de drenaje. Temperatura media del condensado en la línea de drenaje.

El área de superficie de la línea de drenaje para proporcionar la pérdida de calor requerida se puede calcular usando la Ecuación 2.5.3.

Nota: será una tasa de transferencia de calor media (Q̇M) si ΔT es una diferencia de temperatura media (ΔTLM o ΔTAM)

ΔT en la Ecuación 2.5.3 es la diferencia entre la temperatura media del condensado y la temperatura ambiente = 137,5°C - 15°C = 122,5°C Q = 0,768 kW U = 20 W/m2 °C De la Ecuación 2.5.3 0,768 x 103 vatios = 20 vatios/m2 °C x A x 122,5°C Por lo tanto, A = 0,313 m2 La longitud de tubería requerida para proporcionar esta área de superficie se puede calcular usando información de la Tabla 2.10.3.

Esta longitud de tubería (4,7 m) probablemente es impráctica en el campo. Quedan dos alternativas. Una es aumentar el diámetro de la línea de drenaje, lo que generalmente sigue siendo impráctico; la otra es mucho más simple, instalar la trampa correcta para este tipo de aplicación; una trampa flotador-termostática que descarga condensado a la temperatura del vapor y por lo tanto no requiere pierna de enfriamiento.

Si una trampa termostática se considerara esencial, y se instalara a no más de 2 metros de la salida del calefactor, sería necesario calcular el diámetro requerido de la línea de drenaje. La pérdida de calor requerida de la tubería permanece igual, junto con el área total de superficie de la tubería, pero el área de superficie por metro de longitud debe aumentar.

El área de superficie requerida/metro de longitud = 0,157 m2/m

De la Tabla 2.10.3, se puede ver que la tubería de tamaño mínimo que proporciona esta área por metro es una tubería de 50 mm, que nuevamente puede considerarse impráctica y costosa de fabricar. La moraleja de esto es que generalmente es más fácil y barato seleccionar la trampa correcta para el trabajo, que tener el tipo incorrecto de trampa y fabricar una solución alrededor de ella. Trampas de vapor termodinámicas Las trampas que descargan intermitentemente, como las termodinámicas, acumularán condensado entre descargas. Sin embargo, son extremadamente robustas, tolerarán temperaturas ambientales de congelación y tienen una superficie exterior relativamente pequeña, lo que significa que la pérdida de calor al entorno se minimiza. No son adecuadas para descargar condensado en líneas de retorno inundadas, como se explicará más adelante en este Bloque. Trampas de vapor mecánicas Las trampas de vapor mecánicas con característica de descarga continua, por ejemplo las trampas flotador-termostáticas, a menudo resultan ser la mejor opción, y tienen la ventaja adicional de poder ventilar aire. La mayoría de las trampas flotador están disponibles en dos configuraciones básicas de flujo, ya sea flujo horizontal o vertical a través de la trampa. Algunas trampas de balde invertido tienen conexiones de entrada inferior y salida superior. Claramente, las conexiones de la trampa afectarán la trayectoria de la tubería de conexión. La línea de drenaje debe mantenerse a una longitud mínima, idealmente menos de 2 metros. Las líneas de drenaje largas desde la planta hasta la trampa de vapor pueden llenarse de vapor y evitar que el condensado llegue a la trampa. Este efecto se denomina bloqueo de vapor. Para minimizar este riesgo, las líneas de drenaje deben mantenerse cortas (ver Figura 14.2.2). En situaciones donde las líneas de drenaje largas son inevitables, el problema de bloqueo de vapor puede resolverse usando trampas flotador con dispositivos de liberación de bloqueo de vapor. El problema del bloqueo de vapor debe abordarse instalando la longitud correcta de tubería en primer lugar, si es posible.

Las disposiciones detalladas para la purga de plantas que usan vapor y el drenaje de líneas principales de vapor son diferentes como se explica en los siguientes párrafos.

Con plantas que usan vapor, la tubería desde la conexión de condensado debe caer verticalmente aproximadamente 10 diámetros de tubería hasta la trampa de vapor. Asumiendo que se instala una trampa flotador correctamente dimensionada, esto asegurará que las oleadas de condensado no se acumulen en la parte inferior de la planta con sus riesgos asociados de corrosión y golpe de ariete. También proporcionará una pequeña cantidad de carga estática para ayudar a remover el condensado durante el arranque cuando la presión del vapor podría ser muy baja. La tubería debe entonces correr horizontalmente, con una caída en la dirección del flujo para asegurar que el condensado fluya libremente (ver Figura 14.2.3).

Con el drenaje de líneas principales de vapor, siempre que se instalen bolsillos de drenaje como se recomienda en el Módulo 10.3, entonces la línea de drenaje entre el bolsillo y la trampa de vapor puede ser horizontal. Si el bolsillo de drenaje no tiene la profundidad recomendada, entonces la trampa de vapor debe instalarse a una distancia equivalente por debajo de él (ver Figura 14.2.4).

Líneas de descarga de las trampas

Estas tuberías llevarán condensado, gases incondensables y vapor flash desde la trampa hasta el sistema de retorno de condensado (Figura 14.2.5). El vapor flash se forma cuando el condensado se descarga desde el espacio de alta presión antes de la trampa de vapor al espacio de menor presión del sistema de retorno de condensado. (El vapor flash se discute brevemente en el Módulo 14.1, y con más detalle en el Módulo 2.2). Estas líneas también deben caer en la dirección del flujo para mantener el flujo libre de condensado. En líneas más cortas, la caída debe ser discernible a simple vista. En líneas más largas, la caída debe ser aproximadamente 1:70, es decir, 100 mm cada 7 metros.

Descarga en líneas de retorno inundadas

No se recomienda descargar trampas en líneas de retorno inundadas, especialmente con trampas de acción explosiva (termodinámicas o de tipo balde invertido), que remueven condensado a temperatura de saturación. Buenos ejemplos de líneas principales de condensado inundadas son las líneas de retorno bombeadas y las líneas de condensado ascendentes. A menudo siguen la misma ruta que las líneas de vapor, y es tentador simplemente conectar las líneas de descarga de las trampas de drenaje principal en ellas. Sin embargo, el gran volumen de vapor flash liberado en largas líneas inundadas empujará violentamente el agua a lo largo de la tubería, causando golpe de ariete, ruido y, con el tiempo, falla mecánica de la tubería.

Líneas de retorno comunes

Donde el condensado de más de una trampa fluye al mismo punto de recolección como un receptor ventilado, es usual correr una línea común a la cual se conectan las líneas de descarga individuales de las trampas. Siempre que se observen las disposiciones mostradas en las Figuras 14.2.6/7/8 y 10, y la tubería esté dimensionada adecuadamente como se indica en el Módulo 14.3, esto no es un problema.

Trampas de descarga explosiva

Si se usan trampas de descarga explosiva (termodinámicas o de tipo balde invertido), las fuerzas de reacción y velocidades pueden ser altas. Los tees curvados ayudarán a reducir el estrés mecánico y la erosión en el punto donde la línea de descarga se une a la línea de retorno común (ver Figura 14.2.6).

Trampas de descarga continua

Si por alguna razón no se pueden usar tees curvados, una trampa flotador-termostática con su acción de descarga continua es una mejor opción (Figura 14.2.7). La línea inundada absorberá más fácilmente la energía disipada del flujo continuo (relativamente pequeño) de la trampa flotador-termostática. Si la diferencia de presión entre las líneas principales de vapor y condensado es muy alta, entonces un difusor ayudará a amortiguar la descarga, reduciendo tanto la erosión como el ruido.

Otra alternativa es usar una trampa termostática que retiene el condensado hasta que se enfría por debajo de la temperatura de saturación del vapor; esto reduce la cantidad de vapor flash formado (Figura 14.2.8).

Para evitar inundar la línea principal de vapor, el uso de un bolsillo recolector generoso en la línea principal, más una pierna de enfriamiento de 2 a 3 m de tubería sin aislar hacia la trampa es esencial. La pierna de enfriamiento almacena condensado mientras se enfría a la temperatura de descarga. Si existe algún peligro de inundar la línea principal de vapor, no deben usarse trampas termostáticas.

Plantas con control de temperatura con trampas de vapor descargando en líneas inundadas

Los procesos que usan control de temperatura proporcionan un ejemplo donde la presión del vapor suministrado se estrangula a través de una válvula de control. El efecto de esto es reducir la capacidad de la trampa de vapor hasta un punto donde el flujo de condensado puede detenerse completamente, y se dice que el sistema se ha estancado. El tema del estancamiento se discute con mayor profundidad en el Bloque 13. El estancamiento ocurre como resultado de una presión de vapor insuficiente para purgar la planta de vapor de condensado, y es más probable cuando la planta tiene una alta relación de turndown de carga completa a carga parcial. No todos los sistemas con control de temperatura se estancarán, pero la contrapresión causada por el sistema de condensado podría tener un efecto adverso en el rendimiento de la trampa. Esto, a su vez, podría afectar la capacidad de transferencia de calor del proceso (Figura 14.2.9). Las líneas de drenaje de condensado deben, por lo tanto, configurarse de manera que el condensado no pueda inundar la línea principal en la que están descargando, como se representa en la Figura 14.2.10.

Líneas de descarga a diferentes presiones

El condensado de más de un proceso con control de temperatura puede unirse a una línea común, siempre que esta línea esté:

• Diseñada para inclinarse en la dirección del flujo hacia un punto de recolección.
• Dimensionada para acomodar los efectos acumulativos de cualquier vapor flash de cada una de las líneas derivadas a carga completa. El concepto de conectar las descargas de trampas a diferentes presiones a veces se malinterpreta. Si las líneas derivadas y la línea común están correctamente dimensionadas, las presiones aguas abajo de cada trampa serán prácticamente iguales. Sin embargo, si estas líneas son de tamaño insuficiente, el flujo de condensado y vapor flash se restringirá, debido a una acumulación de contrapresión causada por una resistencia aumentada al flujo dentro de la tubería. El condensado que fluye de trampas que drenan los sistemas de menor presión tenderá a estar más restringido. Cada parte del sistema de tubería de descarga debe dimensionarse para transportar cualquier vapor flash presente a velocidades de vapor aceptables. La descarga de una trampa de alta presión no interferirá con la de una trampa de baja presión si las líneas de descarga y la línea común están correctamente dimensionadas e inclinadas en la dirección del flujo. El Módulo 14.3, ‘Dimensionamiento de líneas de retorno de condensado’ proporciona más detalles.

Líneas de retorno bombeadas

El vapor flash puede, en algún punto, separarse del condensado y usarse en un sistema de recuperación, o simplemente ventilarse a la atmósfera desde un receptor adecuado (Figura 14.2.11). El condensado caliente residual de este último puede bombearse a un tanque de recolección adecuado como un tanque de alimentación de caldera. Cuando la bomba se alimenta desde un receptor ventilado, la línea de retorno bombeada estará completamente inundada con condensado a temperaturas por debajo de 100°C, lo que significa que es menos probable que ocurra vapor flash en la línea.

El flujo en una línea de retorno bombeada es intermitente, ya que la bomba arranca y se detiene según sus necesidades. La tasa de descarga de la bomba será mayor que la tasa a la que el condensado entra a la bomba. Por lo tanto, es la tasa de descarga de la bomba la que determina el tamaño de la línea de descarga de la bomba, y no la tasa a la que el condensado entra a la bomba.

El bombeo de condensado se discute con mayor detalle en el Módulo 14.4, ‘Bombeo de condensado desde receptores ventilados’.