Dimensionamiento de las Líneas de Retorno de Condensado

Una guía para dimensionar las líneas de condensado hacia y desde las trampas de vapor, incluyendo ejemplos y cálculos usando el gráfico de dimensionamiento de tuberías de condensado.

Dimensionamiento de las Líneas de Retorno de Condensado

Los cuatro tipos principales de líneas de condensado, mencionados en el Módulo 14.2, se muestran en la Tabla 14.3.1:

Tabla 14.3.1 Los cuatro tipos básicos de líneas de condensado

El dimensionamiento de todas las líneas de condensado es una función de:

• Presión - La diferencia de presión entre un extremo de la tubería y el otro. Esta diferencia de presión puede promover el flujo, o causar que parte del condensado se evapore por flash a vapor.
• Cantidad - La cantidad de condensado a manejar.
• Condición - ¿El condensado es predominantemente líquido o vapor flash? Con la excepción de las líneas de retorno bombeadas que se discutirán en el Módulo 14.4, los otros tres tipos principales de líneas de condensado y su dimensionamiento se cubrirán en este Módulo.

Dimensionamiento de líneas de drenaje a las trampas

No debe asumirse que la línea de drenaje (y la trampa) debe ser del mismo tamaño que la conexión de salida de la planta. La planta puede operar a un número de presiones y caudales diferentes de funcionamiento, especialmente cuando tiene control de temperatura. Sin embargo, una vez que la trampa ha sido correctamente dimensionada, generalmente es el caso que la línea de drenaje será del mismo tamaño que la conexión de entrada de la trampa (ver Figura 14.3.1).

Respecto a las condiciones dentro de la línea de drenaje, como no hay una caída de presión significativa entre la planta y la trampa, no hay vapor flash presente en la tubería, y puede dimensionarse para transportar solo condensado.

Al dimensionar la línea de drenaje, se necesitará considerar lo siguiente:

• La tasa de condensación del equipo que se está drenando durante carga completa.
• La tasa de condensación del equipo durante el arranque. En el arranque de la planta, la tasa de condensación puede ser hasta tres veces la carga de funcionamiento, esto es donde la diferencia de temperatura entre el vapor y el producto más frío está en su máximo. La línea de drenaje, la trampa y la línea de descarga también deben transportar el aire que es desplazado por el vapor entrante durante este tiempo. La rutina de dimensionamiento para la trampa de vapor tendrá que considerar ambas variables, sin embargo, en general:
• Para el drenaje de líneas principales de vapor, la carga de condensado para cada trampa de drenaje es típicamente el 1% de la capacidad de vapor de la línea principal basada en puntos de drenaje a intervalos de 50 m, y con buen aislamiento. Para la mayoría de los puntos de drenaje, dimensionar la trampa para pasar el doble de la carga de funcionamiento a la presión de trabajo (menos cualquier contrapresión) le permitirá manejar la carga de arranque.
• En procesos de presión de vapor constante como prensas, planchadoras, calefactores unitarios, paneles radiantes y sartenes de ebullición, dimensionar las trampas a aproximadamente el doble de la carga de funcionamiento a la presión de trabajo (menos cualquier contrapresión) proporcionará capacidad suficiente para manejar la carga de arranque.
• En aplicaciones con control de temperatura, la presión del vapor, el turndown de la planta, la temperatura de ajuste y la ubicación de la trampa de vapor necesitan considerarse en detalle, y la trampa necesita dimensionarse para manejar tanto las condiciones de carga completa como mínima. Si estas condiciones no se conocen, se recomienda que la trampa de vapor se dimensione a 3 x la carga de funcionamiento a la presión diferencial de funcionamiento. Esto debería satisfacer la condición de arranque y proporcionar un drenaje adecuado en cargas mínimas. Cuando la trampa se dimensiona de esta manera, también manejará la carga de arranque. En consecuencia, si la línea de drenaje a la trampa se dimensiona con el tamaño de la trampa, nunca será de tamaño insuficiente. Para propósitos prácticos, donde la línea de drenaje es menor de 10 m, puede ser del mismo tamaño de tubería que la trampa de vapor seleccionada para la aplicación. Las líneas de drenaje de menos de 10 m de longitud también pueden verificarse contra el Apéndice 14.3.1 y debe seleccionarse un tamaño de tubería que resulte en una pérdida de presión a caudal máximo de no más de 200 Pa por metro de longitud, y una velocidad no mayor de 1,5 m/s. La Tabla 14.3.2 es un extracto del Apéndice 14.3.1. En líneas de drenaje más largas (más de 10 m), la pérdida de presión a caudal máximo no debe ser más de 100 Pa/m, y una velocidad no mayor de 1 m/s.

Tabla 14.3.2 Flujo de agua en tuberías de acero pesado

Ejemplo 14.3.1 Un elemento de planta, que usa vapor a presión constante, condensa 470 kg de vapor por hora a carga completa. La tubería entre el elemento de planta y la trampa de vapor tiene una longitud equivalente de 2 m. Determine el tamaño de tubería a usar. Carga revisada permitiendo arranque = 470 kg/h x 2 = 940 kg/h. Como la longitud de tubería es menor de 10 metros, la caída de presión máxima permitida es 200 Pa/m. Usando la Tabla 14.3.1, mirando a través de 200 Pa/m se puede ver que una tubería de 25 mm tiene una capacidad de 1 141 kg/h, y por lo tanto sería adecuada para la carga de arranque esperada de 940 kg/h. Verificando más arriba en la columna de 25 mm, se puede ver que un caudal de 940 kg/h incurrirá en una caída de presión real de justo menos de 140 Pa/m fluyendo a través de una tubería de 25 mm.

Dimensionamiento de líneas de descarga de las trampas

La sección de tubería aguas abajo de la trampa transportará tanto condensado como vapor flash a la misma presión y temperatura. Esto se denomina flujo bifásico, y la mezcla de líquido y vapor tendrá las características tanto del vapor como del agua en proporción a cuánto de cada uno está presente. Considere el siguiente ejemplo. Ejemplo 14.3.2 Un elemento de planta usa vapor a una presión constante de 4 bar g. Se instala una trampa de vapor mecánica, y el condensado a temperatura de saturación se descarga en una línea principal de condensado que trabaja a 0,5 bar g. Determine las proporciones en masa, y en volumen, de agua y vapor en la línea principal de condensado. Parte 1 - Determinar las proporciones en masa De las tablas de vapor:

Claramente, si el 7,9% se evapora por flash a vapor, el 100 – 7,9 = 92,1% restante del flujo de masa inicial permanecerá como agua. Parte 2 - Determinar las proporciones en volumen Basado en una masa inicial de 1 kg de condensado descargado a 4 bar g temperatura de saturación, la masa de vapor flash es 0,079 kg y la masa de condensado es 0,921 kg (establecido de la Parte 1). Agua: La densidad del agua saturada a 0,5 bar g es 950 kg/m3,

De esto se deduce que el fluido bifásico en la línea de descarga de la trampa tendrá mucho más en común con el vapor que con el agua, y es sensato dimensionar con velocidades de vapor razonables en lugar de usar el volumen relativamente pequeño de condensado como base para el cálculo. Si las líneas son de tamaño insuficiente, la velocidad del vapor flash y la contrapresión aumentarán, lo que puede causar golpe de ariete, reducir la capacidad de la trampa e inundar el proceso.

Las líneas de vapor se dimensionan con atención a las velocidades máximas. El vapor saturado seco no debe viajar más rápido de 40 m/s. El vapor húmedo debe viajar algo más lento (15 a 20 m/s) ya que transporta humedad que de otro modo puede tener un efecto erosivo y dañino en accesorios y válvulas. Las líneas de descarga de las trampas pueden considerarse como líneas de vapor que transportan vapor muy húmedo, y deben dimensionarse con velocidades similares bajas. Las líneas de descarga de condensado de las trampas son notoriamente más difíciles de dimensionar que las líneas de vapor debido a la característica de flujo bifásico. En la práctica, es imposible (y a menudo innecesario) determinar la condición exacta del fluido dentro de la tubería. Aunque la cantidad de vapor flash producida (ver Figura 14.3.2) está relacionada con la diferencia de presión a través de la trampa, otros factores también tendrán un efecto.

Factores que influyen en el flujo bifásico dentro de una tubería, incluyen:

• Si el condensado en el lado aguas arriba de la trampa está más frío que la temperatura de saturación (por ejemplo: se usa una trampa de vapor termostática), la cantidad de vapor flash después de la trampa se reduce. Esto puede reducir el tamaño de la línea requerida.
• Si la línea desciende desde la trampa hasta su terminación, la pendiente tendrá un efecto en el flujo del condensado, pero ¿en qué magnitud, y cómo puede cuantificarse esto?
• En líneas más largas, las pérdidas por radiación de la línea pueden condensar parte del vapor flash, reduciendo su volumen y velocidad, y puede haber un caso para reducir el tamaño de la línea. ¿Pero en qué punto debe reducirse y en cuánto?
• Si la línea de descarga se eleva hasta una línea de retorno elevada, habrá momentos en que la línea ascendente estará llena de condensado frío, y momentos en que el vapor flash de la trampa puede evaporar parte o todo este condensado. ¿Debe dimensionarse la línea de descarga ascendente con la velocidad del vapor flash o la cantidad de condensado?
• La mayoría de los procesos operan de alguna manera por debajo de su condición de carga completa durante la mayor parte de su ciclo de funcionamiento, lo que reduce el vapor flash la mayor parte del tiempo. Por lo tanto, surge la pregunta: ¿existe la necesidad de dimensionar el sistema en la condición de carga completa, si el equipo funciona permanentemente a una carga de funcionamiento menor?
• En plantas con control de temperatura, la presión diferencial a través de la trampa cambiará dependiendo de la carga de calor. Esto afectará la cantidad de vapor flash producida en la línea. Recomendaciones sobre líneas de descarga de las trampas Debido al número de variables, un cálculo exacto del tamaño de la línea sería complejo y probablemente inexacto. La experiencia ha demostrado que si las líneas de descarga de las trampas se dimensionan con velocidades de vapor flash de 15 a 20 m/s, y se adhieren a ciertas recomendaciones, surgirán pocos problemas. Recomendaciones:

1. Las líneas de descarga de trampas correctamente dimensionadas que descienden en la dirección del flujo y están abiertas en un extremo o ventiladas en un receptor, no estarán inundadas y permitirán que el vapor flash pase sin obstáculos por encima del condensado (Figura 14.3.3). Se recomienda una pendiente mínima de 1 en 70 (150 mm de caída cada 10 m). Una simple verificación visual generalmente confirmará si la línea está descendiendo: ¡si no se aprecia pendiente, no está descendiendo lo suficiente!

2. Si es inevitable, las líneas ascendentes no bombeadas (Figura 14.3.4) deben mantenerse tan cortas como sea posible e instalarse con una válvula de retención para evitar que el condensado caiga de vuelta a la trampa. Los tubos ascendentes deben descargar en la parte superior de las líneas de retorno elevadas. Esto detiene el condensado que drena de vuelta al tubo ascendente desde la línea principal de retorno después de que la trampa ha descargado, para asistir el fácil paso del vapor flash por el tubo ascendente.

Es sensato considerar usar un tubo ascendente ligeramente más grande, que producirá una velocidad menor de vapor flash.

Esto reducirá el riesgo de golpe de ariete y ruido causado por el vapor intentando forzar un camino a través del condensado líquido en el tubo ascendente. Importante: Un tubo ascendente solo debe usarse donde la presión del vapor del proceso está garantizada a ser mayor que la contrapresión del condensado en la salida de la trampa. Si no, el proceso se inundará a menos que se use una trampa de bombeo o combinación bomba-trampa para proporcionar un drenaje adecuado contra la contrapresión. 3. Las líneas de retorno comunes también deben descender y no estar inundadas (Figura 14.3.4). Para evitar que ocurra vapor flash en líneas de retorno largas, el condensado caliente de las líneas de descarga de las trampas debe drenar a receptores ventilados (o recipientes flash donde sea apropiado), desde donde puede bombearse a su destino final, a través de una línea inundada a una temperatura menor. El bombeo de condensado se trata con mayor detalle en el Módulo 14.4.

El gráfico de dimensionamiento de tuberías de condensado

El gráfico de dimensionamiento de tuberías de condensado (Figura 14.3.5) se puede usar para dimensionar cualquier tipo de línea de condensado, incluyendo:

• Líneas de drenaje que no contienen vapor flash.
• Líneas que consisten en flujo bifásico, como líneas de descarga de las trampas, que se seleccionan según las presiones a ambos lados de la trampa. El gráfico (Figura 14.3.5):
• Trabaja alrededor de velocidades de vapor flash aceptables de 15 - 20 m/s, según el tamaño de la tubería y la proporción de vapor flash formado.
• Se puede usar con temperaturas de condensado menores que la temperatura de saturación del vapor, como será el caso al usar trampas de vapor termostáticas.
• Se usa para dimensionar las líneas de descarga de las trampas en condiciones de carga completa. No es necesario considerar factores de sobredimensionamiento para la carga de arranque o la remoción de gases no condensables.
• También puede usarse para estimar tamaños para líneas bombeadas que contienen condensado por debajo de 100°C. Esto se discutirá en el Módulo 14.4.

Uso del gráfico de dimensionamiento de tuberías de condensado (También disponible en el Apéndice 14.3.2) Establecer el punto donde se encuentran las presiones de vapor y condensado (parte inferior del gráfico, Figura 14.3.5). Desde este punto, moverse verticalmente hacia arriba al gráfico superior para encontrar la tasa de condensado requerida. Si la línea de descarga está descendiendo (no inundada) y la selección está en o entre líneas, elegir el tamaño de línea inferior. Si la línea de descarga está ascendiendo, y por lo tanto probablemente inundada, elegir el tamaño de línea superior. Nota: El razonamiento empleado para el dimensionamiento de una trampa de vapor es diferente al usado para una línea de descarga, y es perfectamente normal que una línea de descarga de trampa se dimensione diferente a la trampa a la que sirve. Sin embargo, cuando la trampa está correctamente dimensionada, el equipo auxiliar usual asociado con una estación de trampa de vapor, como válvulas de aislamiento, filtro, cámara de prueba de trampa y válvula de retención, puede ser del mismo tamaño que el dispositivo de purga seleccionado, cualquiera que sea el tamaño de la línea de descarga.

Ejemplo 14.3.3 1 En el gráfico (Figura 14.3.6)

Una trampa de vapor pasando una carga completa de 1000 kg/h a 6 bar g de presión de vapor saturado a través de una línea de descarga descendente a un recipiente flash a 1,7 bar g. Como la línea de descarga no está inundada, se selecciona el valor inferior de 25 mm del gráfico (Figura 14.3.5).

Ejemplo 14.3.4 2 en el gráfico (Figura 14.3.7)

Una trampa de vapor pasando una carga completa de 1 000 kg/h a 18 bar g de presión de vapor saturado a través de una línea de descarga ascendente 5 m a una línea de retorno de condensado presurizada a 3,5 bar g. Sumar la presión estática de 0,5 bar (5 m de carga) a la presión de condensado de 3,5 bar para dar una contrapresión de 4 bar g. Como la línea de descarga está ascendiendo y por lo tanto inundada, se selecciona el valor superior de 32 mm del gráfico (Figura 14.3.5).

Ejemplo 14.3.5 3 en el gráfico (Figura 14.3.8)

Una trampa de vapor pasando una carga completa de 200 kg/h a 2 bar g de presión de vapor saturado a través de una línea de descarga con pendiente descendente a un receptor de condensado ventilado a presión atmosférica (0 bar g). Como la línea no está inundada, se selecciona el valor inferior de 20 mm del gráfico (Figura 14.3.5).

Ejemplo 14.3.6 4 en el gráfico (Figura 14.3.9)

Una bomba-trampa pasando una carga completa de 200 kg/h a 4 bar g de presión de espacio de vapor saturado a través de una línea de descarga ascendente 5 m a una línea de retorno de condensado no inundada a presión atmosférica. La presión estática de 5 m contribuye la contrapresión total de 0,5 bar g. Como la línea de descarga de la trampa está ascendiendo, se selecciona el valor superior de 25 mm del gráfico (Figura 14.3.5).

Ejemplo 14.3.7 5 en el gráfico (Figura 14.3.10)

Considere una carga de condensado de 200 kg/h a un receptor y bomba. En este caso, la línea de condensado se basa en la capacidad máxima de la bomba para lograr la carga de entrega deseada. El cálculo de las capacidades de la bomba se cubre en el Módulo 14.4 ‘Bombeo de Condensado desde Receptores Ventilados’, pero para este ejemplo, se asume que la carga máxima de condensado será 1 200 kg/h. Debido a que el condensado habrá perdido su contenido de vapor flash a la atmósfera a través de la ventilación del receptor, la bomba solo bombeará condensado líquido. En este caso, solo es necesario usar la parte superior del gráfico en la Figura 14.3.5. Como la línea desde la bomba está ascendiendo, se elige el valor superior de 25 mm. Nota: Si la línea bombeada fuera más larga de 100 m, debe tomarse el siguiente tamaño mayor, que para este ejemplo sería 32 mm. Un consejo útil para líneas de 100 m o menos es elegir una tubería de descarga del mismo tamaño que la bomba. Para más detalles, consulte el Módulo 14.4 ‘Bombeo de condensado desde receptores ventilados’.

Líneas de retorno comunes - líneas descendentes

A veces es necesario conectar varias líneas de descarga de trampas de procesos separados en una línea de retorno común. No ocurrirán problemas si se cumplen las siguientes consideraciones:

• La línea común no está inundada y desciende en la dirección del flujo a un extremo abierto o un receptor ventilado, o un recipiente flash si las condiciones lo permiten.
• La línea común se dimensiona con los tamaños acumulados de las líneas derivadas, y las líneas derivadas se dimensionan desde la Figura 14.3.5. Ejemplo 14.3.8 La Figura 14.3.11 muestra tres intercambiadores de calor, cada uno controlado por separado y operando al mismo tiempo. Las cargas de condensado mostradas son cargas completas y ocurren con 3 bar g en el espacio de vapor. La línea común desciende hasta el recipiente flash a 1,5 bar g, situado en la misma sala de máquinas. El condensado en el recipiente flash cae a través de un flotador a un receptor ventilado, desde donde se bombea directamente a la sala de calderas. Las líneas de descarga de las trampas se dimensionan a carga completa con presión de vapor a 3 bar g y presión de condensado de 1,5 bar g, y como cada una no está inundada, se seleccionan los tamaños de línea inferiores del gráfico. Determine los tamaños de las líneas de condensado para las líneas de descarga descendentes y las líneas comunes.

Líneas de retorno comunes - líneas ascendentes

A veces es inevitable que las líneas de descarga y retorno de condensado asciendan en algún punto entre la trampa y el punto de terminación final. Cuando este es el caso, cada línea de descarga se dimensiona moviendo al siguiente tamaño en el gráfico, como se discutió previamente en este Módulo. Ejemplo 14.3.9 La Figura 14.3.12 muestra los mismos tres intercambiadores de calor que en el Ejemplo 14.3.8. Sin embargo, en este caso, la línea común asciende 15 m y termina en una línea principal de retorno de condensado elevada no inundada, dando la misma contrapresión de 1,5 bar que en el Ejemplo 14.3.8. Cada una de las líneas de descarga se dimensiona como una línea ascendente. Determine los tamaños de las líneas de condensado para las líneas de descarga y las líneas comunes.

Ejemplo 14.3.10 - Línea común descendente

Calculando los tamaños de la línea común para la aplicación mostrada en la Fig. 14.3.12 que desciende a un punto de terminación final:

Ejemplo 14.3.11 - Línea común ascendente

Calculando los tamaños de la línea común para la aplicación mostrada en la Fig. 14.3.14 que asciende a un punto de terminación final: Note que las cargas de vapor son las mismas que en el Ejemplo 14.3.10, pero las líneas de descarga son un tamaño mayor debido a la línea común ascendente.

El procedimiento mostrado en los Ejemplos 14.3.10 y 14.3.11 puede simplificarse usando el Apéndice 14.3.3.

Por ejemplo, donde las tuberías A y B (20 mm y 50 mm) se unen, el diámetro mínimo requerido de la tubería se muestra como 54 mm. Claramente, el usuario instalaría el siguiente tamaño mayor de tubería comercial disponible, a menos que el calibre calculado esté cerca de un tamaño nominal de tubería.

Apéndice 14.3.3 Tabla de dimensionamiento de tuberías comunes D1 = Tamaño de rama de conexión (N.B.) D2 = Tamaño de tubería común

Las tablas de datos detalladas del Apéndice 14.3.3 para el dimensionamiento de tuberías comunes se mantienen sin cambios ya que son datos numéricos técnicos. Los usuarios pueden consultar el gráfico de dimensionamiento en la Figura 14.3.5 y el Apéndice 14.3.2 para referencias de cálculo.