Ejemplo de Selección de la Trampa
Un ejemplo completamente desarrollado para calcular el estancamiento y seleccionar una solución de remoción de condensado para una aplicación de intercambio de calor.
Ejemplo 13.4.1 Selección de la trampa Una fábrica requiere un intercambiador de calor vapor/agua operando nominalmente a 4 bar g para calentar agua de proceso que circula a 1 L/s (1 kg/s) desde 10°C hasta 80°C, dando una carga de diseño de 293 kW. El proceso es tal que una carga de calor mínima ocurre al 60% de la carga de calor completa. Esta es una línea de proceso permanentemente en funcionamiento sin aumento futuro de carga. Se pide a dos proveedores que proporcionen un intercambiador de calor. La siguiente información es importante para la selección:
- El proveedor ‘X’ puede proporcionar un intercambiador de calor con un área de calentamiento de 2 m2, un valor ‘U’ de 2 500 W/m2 °C y una capacidad de 350 kW cuando opera con vapor a 4 bar g y con un flujo de agua de 1 L/s.
- El proveedor ‘Y’ puede proporcionar un intercambiador de calor con un área de calentamiento más pequeña más adecuada para la carga de calor de diseño de 293 kW, cuando opera con vapor a 4 bar g y con un flujo de agua de 1 L/s. El valor ‘U’ es 2500 W/m2 °C.
- La línea de condensado del intercambiador de calor se elevará 5 metros hasta una tubería de retorno de condensado que desciende en ruta a un receptor ventilado, teniendo una contrapresión total de 0,5 bar g. Nota: Una columna de un metro de agua bajo presión atmosférica ejercerá una presión en la base de la columna de aproximadamente 10 kPa o 0,1 bar g. Cualquier elevación en la línea de descarga de condensado ejercerá así una elevación estática debido a la columna de condensado mantenida en la línea, además de cualquier presión en el sistema de condensado. Es necesario determinar las condiciones de operación del sistema para seleccionar y dimensionar la trampa para una remoción adecuada de condensado de ambos intercambiadores de calor bajo cualquier condición de carga de operación.
Se necesitan responder las siguientes preguntas para una remoción adecuada de condensado:
(A) ¿Ocurrirá estancamiento durante la operación normal?
(B) ¿A qué carga ocurrirá el estancamiento?
Verificar la carga de calor de la aplicación en la condición de diseño.
De la ecuación de flujo de transferencia de calor (Ecuación 2.6.5):
Considere el proveedor ‘X’
Un intercambiador de calor de 350 kW con un área de calentamiento de 2 m2.
¿Cuál será la presión del espacio de vapor en este calefactor en esta carga de calor de diseño?
Primero es necesario determinar el LMTD (ΔTLM) para un área de calentamiento de 2 m2.
De la Ecuación 13.2.1:
La temperatura de diseño del vapor puede ahora calcularse, usando la Ecuación 2.5.5:
Esta temperatura de saturación equivale a una presión de vapor de 0,45 bar g. Esta presión es menor que la contrapresión de 0,5 bar g, y el sistema se estancará permanentemente.
En este caso, si se instalara una trampa de vapor flotador de bola, el condensado inundaría permanentemente el intercambiador de calor, su nivel modulándose relativamente a los cambios de carga. El rendimiento de operación puede ser insatisfactorio ya que la temperatura de salida secundaria tenderá a fluctuar, y el intercambiador de calor puede fallar prematuramente debido a la corrosión.
Si el sistema está permanentemente funcionando bajo condiciones de estancamiento, una trampa de vapor flotador de bola es la elección incorrecta para esta aplicación, y se debe instalar en su lugar una trampa de bombeo. Considere el proveedor ‘Y’ Para que el fabricante dimensione el área de calentamiento que mejor se ajuste a la condición de diseño, es necesario encontrar el área de calentamiento mínima que satisfará la carga completa de operación. Primero es necesario determinar el LMTD nominal para el intercambiador de calor con una presión de espacio de vapor de 4 bar g (TS = 152°C).
De la Ecuación 2.5.5:
De su gama estándar, el proveedor ‘Y’ puede proporcionar un intercambiador de calor de placas que cumple la especificación con un área de calentamiento de 1,198 m2. Esto está sobredimensionado (aproximadamente un 5%) y por lo tanto la presión del vapor será menor que 4 bar g en la condición de operación de carga completa.
En la práctica, es probable que los intercambiadores de calor se especifiquen al menos un 10% por encima de la capacidad. Es por esta razón que la presión de operación del vapor (no la presión de trabajo normal citada) debe siempre establecerse antes de seleccionar y dimensionar el dispositivo de purga de vapor. El fabricante de reputación debe estar dispuesto a suministrar esta información, o al menos, el área de calentamiento, el valor ‘U’ y la producción de calor. A partir de estos datos, el LMTD nominal puede calcularse, del cual puede encontrarse la presión de operación.
Encontrar el LMTD para el intercambiador de calor con un área de calentamiento de 1,198 m²:
Esta temperatura de saturación equivale a una presión de vapor de 3,4 bar g en la condición de diseño. Como esta presión es mayor que la contrapresión constante de 0,5 bar g, el sistema no se estancará a carga completa.
¿Cuál es el caudal de vapor (ṁs) a carga completa?
El caudal másico de vapor dependerá de la presión del espacio de vapor, que es 3,4 bar g a carga completa, con una entalpía de evaporación de 2122 kJ/kg.
De la Ecuación 2.8.1:
¿Cuál es el TDC?
Ahora es necesario encontrar la carga de calor a la cual el sistema se estancará. Para hacerlo, es necesario calcular el TDC para este intercambiador de calor a partir de las condiciones de diseño.
De la Ecuación 13.2.2:
La condición de estancamiento
En el estancamiento, la presión en el espacio de vapor igualará la contrapresión de 0,5 bar g.
La temperatura de saturación del vapor a 0,5 bar g es 111,6°C.
De la Ecuación 13.2.4 puede encontrarse la temperatura de entrada:
¿Cuál es la carga de calor en el estancamiento?
De la ecuación de flujo de transferencia de calor (Ecuación 2.6.5):
La selección del dispositivo de purga dependerá de si la carga de calor mínima es mayor o menor que la carga de estancamiento.
La carga mínima se cita como el 60% de la carga completa de 293 kW, por lo tanto:
Carga mínima = 0,6 x 293 kW = 176 kW
Carga de estancamiento = 138 kW
Como la carga mínima es mayor que la carga de estancamiento, el sistema nunca se estancará. Por lo tanto es práctico instalar una trampa de vapor flotador de bola, ya que siempre habrá una presión diferencial positiva a través de ella.
Sin embargo, la trampa de vapor flotador de bola debe dimensionarse para transportar tanto la carga completa como la carga mínima, y por lo tanto es necesario calcular los flujos de vapor y las presiones correspondientes del espacio de vapor en ambas condiciones.
Primero es necesario calcular la temperatura de entrada secundaria a la carga mínima. Esto puede predecirse usando la Ecuación 13.4.1:
La condición de carga mínima
De la Ecuación 13.2.3:
Esta es la temperatura del vapor a la carga mínima de 176 kW, y equivale a una presión de vapor de 1,0 bar g. La presión del condensado es 0,5 bar g. La presión diferencial a través de la trampa de vapor flotador de bola a carga mínima por lo tanto iguala 1,0 bar g - 0,5 bar g = 0,5 bar.
¿Cuál es el caudal de vapor (ṁ (min)) a la carga de calor mínima de 176 kW?
El caudal mínimo de vapor dependerá de la presión del espacio de vapor, que es 1,0 bar g con una entalpía de evaporación de 2201,1 kJ/kg.
De la Ecuación 2.8.1:
Como se ha establecido que este sistema no se estancará, una trampa de vapor flotador de bola es adecuada. Ahora es necesario dimensionar una trampa de vapor flotador de bola para operación hasta la presión diferencial máxima del sistema de 3,5 bar y pasar …
a) la carga completa de 498 kg/h con una presión diferencial de 3,4 bar g - 0,5 bar g = 2,9 bar g.
b) la carga mínima de 288 kg/h con una presión diferencial de 1,0 bar g - 0,5 bar g = 0,5 bar g.
Se puede ver del gráfico de dimensionamiento de la trampa de vapor flotador de bola (Figura 13.4.1) que una DN25 (1”) FT14-4.5 satisfará ambas condiciones, y podría seleccionarse. Sin embargo, si la carga de calor mínima fuera menor que la carga de estancamiento, entonces se tendría que seleccionar una trampa de bombeo.
Los métodos de selección de dispositivos de purga se discuten adicionalmente en el Módulo 13.8, ‘Métodos prácticos de prevención del estancamiento’.
