Tipos básicos de desuperheater

Desuperheaters

El tipo más simple de desuperheater es una sección de tubería sin aislar, donde el calor puede radiarse al entorno. Sin embargo, aparte del obvio riesgo de lesiones al personal por un elemento de planta tan caliente, y el costoso desperdicio de energía, este enfoque no se ajusta para compensar los cambios en las condiciones ambientales, la temperatura del vapor o el caudal de vapor. Están disponibles varios diseños de desuperheater y se recomienda considerar las siguientes propiedades al dimensionar y seleccionar una estación adecuada para una aplicación dada:

• Relación de turndown - ‘turndown’ se usa para describir el rango de caudales sobre los que el desuperheater operará, como se muestra en la Ecuación 4.2.1. Este es un parámetro importante, ya que cualquier variación en la presión de entrada, temperatura o caudal causará una variación en el requisito de líquido refrigerante.

En general, se pueden especificar dos valores de turndown para un desuperheater particular:

Relación de turndown de vapor - Esto refleja el rango de caudales de vapor que el dispositivo puede desuperheater efectivamente.

Relación de turndown de agua refrigerante - Esto refleja el rango de caudales de refrigeración que pueden usarse.

Aunque esto afecta directamente la relación de turndown de vapor, la relación depende de las temperaturas del vapor sobrecalentado, el agua refrigerante y el vapor desuperheater resultante. La Ecuación 15.1.1 es la ecuación de balance de masa/calor para esta aplicación: Debe notarse que los caudales de vapor y agua son directamente proporcionales entre sí; la constante de proporcionalidad ‘k’ depende de las entalpías del vapor sobrecalentado, el agua refrigerante y el vapor desuperheater requerido. Si el turndown requerido no puede lograrse usando un solo desuperheater, se pueden instalar dos desuperheaters en paralelo, con operación cambiando de uno a otro; o ambos pueden estar en operación dependiendo de la demanda de vapor. Debe notarse que el desuperheater en sí es solo una parte de una estación de desuperheating, que incluirá el sistema de control necesario para la operación correcta.

• Presiones y temperaturas de operación.
• Caudal de vapor y agua.
• Cantidad de sobrecalentamiento antes, y cantidad de vapor desuperheater requerida después, del proceso.
• La presión de agua disponible (puede ser necesaria una bomba de refuerzo).
• La precisión requerida de la temperatura final.
• En el caso de desuperheaters en línea, la distancia recorrida por el vapor antes de que ocurra el desuperheating completo es también una consideración importante. Esto se denomina longitud de absorción. Las siguientes Secciones incluyen descripciones de los tipos comunes de desuperheater disponibles, sus limitaciones y aplicaciones típicas.

Desuperheaters de contacto indirecto

Desuperheaters tipo haz de tubos Este tipo de desuperheater (Figura 15.2.2) consiste en un intercambiador de calor, típicamente de carcasa y tubo, con vapor sobrecalentado en un lado, y el medio refrigerante en el otro. La carcasa del primer intercambiador de calor (que contiene el agua refrigerante) está fijada en ambos extremos en el lado de entrada, mientras que en el lado de salida, está fijada en la parte inferior y abierta en la parte superior. La cabeza flotante permite que la presión en las dos secciones de la carcasa se iguale. El medio refrigerante es agua a temperatura y presión de saturación. A medida que el vapor sobrecalentado entra en el primer y luego el segundo conjunto de tubos, cede calor al agua, parte de la cual se evaporará por esta adición de energía. Cualquier agua refrigerante evaporada pasa a través de la cabeza flotante y se acumulará en el lado de salida de la carcasa. Luego pasa a través del extremo abierto de la carcasa donde se mezcla con el vapor desuperheater. Ventajas:

1. El turndown está limitado solo por los controles instalados.
2. Este diseño es capaz de producir vapor desuperheater a 5°C de la temperatura de saturación.
3. Temperaturas y presiones máximas de operación altas, típicamente alrededor de 60 bar y 450°C.
4. Respuesta rápida. Desventajas:
5. Voluminoso - ya que ahora hay una serie de dispositivos en línea disponibles, han sido en gran medida superados.
6. Costo.
7. Una preocupación importante con este tipo de desuperheater es la eficiencia del proceso de intercambio de calor. La acumulación de aire o películas de incrustación en la superficie de intercambio de calor puede actuar como una barrera extremadamente efectiva para la transferencia de calor. Aplicaciones:
8. Aquellas aplicaciones que experimentan variaciones amplias de carga.

Desuperheaters de contacto directo

Desuperheater tipo baño de agua Esta es la forma más simple de desuperheater de contacto directo. El vapor sobrecalentado se inyecta en un baño de agua. Este calor adicional causará que el vapor saturado se evapore de la superficie del baño. Un controlador de presión mantiene una presión constante en el recipiente, y por lo tanto la temperatura y presión del vapor saturado en la tubería aguas abajo. Ya que el vapor sobrecalentado tiene más energía por unidad de masa que el vapor saturado, se evaporará más vapor del que realmente entra en el desuperheater. Consecuentemente, el nivel de agua caerá y por lo tanto se debe hacer provisión para mantener este nivel. Esto generalmente requiere una bomba de diseño similar a una bomba de alimentación de caldera, ya que el agua debe bombearse contra la presión del recipiente.

Se requiere una buena válvula de retención en el suministro de vapor sobrecalentado para evitar que cualquier agua del baño sea succionada hacia el sistema de vapor sobrecalentado si la presión en la línea principal de vapor cae. Ventajas:

1. Simple
2. El vapor se produce a temperatura de saturación.
3. Se puede producir vapor con una fracción de sequedad de 0.98.
4. El turndown está limitado solo por los controles instalados.

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Desventajas:

1. Voluminoso.
2. No práctico para temperaturas altas.

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Aplicaciones:

1. Variaciones amplias en el caudal.
2. Donde no se puede tolerar ningún sobrecalentamiento residual.

Desuperheating por pulverización de agua

Este tipo de desuperheating representa la gran mayoría de aplicaciones de desuperheating. En desuperheaters de pulverización de agua, el vapor sobrecalentado pasa a través de una sección de tubería equipada con una o más boquillas de pulverización. Estas inyectan una fina pulverización de agua refrigerante en el vapor sobrecalentado, lo que causa que el agua se convierta en vapor, reduciendo la cantidad de sobrecalentamiento. El agua refrigerante puede introducirse en el vapor sobrecalentado de varias maneras; consecuentemente, hay una serie de diferentes tipos de desuperheater de pulverización de agua.

A pesar de esto, la mayoría de los desuperheaters de pulverización de agua se ven afectados por los siguientes factores:

• Tamaño de partícula - Cuanto menor sea el tamaño de la partícula de agua, mayor será la relación de área de superficie a masa, y mayores las tasas de transferencia de calor. Ya que el agua se está inyectando directamente en el vapor sobrecalentado en movimiento, cuanto menor sea el tamaño de la partícula, más corta será la distancia requerida para que tenga lugar el intercambio de calor. El agua se rompe en partículas pequeñas usando un dispositivo mecánico (como una boquilla de orificio variable o fijo) o boquillas de atomización de vapor.
• Turbulencia - A medida que el flujo dentro de la tubería se vuelve más turbulento, las partículas de agua individuales arrastradas residen más tiempo en el desuperheater, permitiendo una mayor transferencia de calor. Además, la turbulencia fomenta la mezcla del agua refrigerante y el vapor sobrecalentado. La turbulencia aumentada resulta en que se requiera una distancia más corta para que ocurra el desuperheating completo. La turbulencia puede crearse de dos maneras:
• Caída de presión a través de la boquilla - Someter el agua refrigerante a una caída de presión mayor aumentará su velocidad e inducirá mayor turbulencia.
• Velocidad - Al aumentar la velocidad general de la mezcla de agua y vapor, la cantidad de turbulencia aumenta inherentemente. El aumento en velocidad generalmente se logra creando una restricción en la ruta del vapor, lo que genera adicionalmente turbulencia por desprendimiento de vórtices. Además de estas altas velocidades, si se usan prácticas deficientes de diseño de tuberías, la velocidad del vapor sobrecalentado podría en teoría acercarse a Mach 1. A tales velocidades ocurrirían una serie de problemas (incluyendo la generación de ondas de choque). Sin embargo, esto estaría muy por encima de las velocidades usadas en un buen diseño de tuberías. Las velocidades típicas del vapor que entra en un desuperheater deberían ser alrededor de 40 a 60 m/s.
• Caudal de agua refrigerante - La velocidad a la que se puede agregar agua refrigerante al vapor sobrecalentado está afectada por una serie de factores, que se relacionan mediante la Ecuación 4.2.11: Teniendo en cuenta que C y g son constantes, revisar la Ecuación 4.2.11 muestra que solo se pueden manipular dos factores para alterar el caudal de agua refrigerante, qv:

Cambiar la caída de presión sobre el orificio (boquilla), h - Expresando el caudal como una función de la caída de presión sobre la boquilla: Esto significa que si, por ejemplo, el flujo se aumenta por un factor de 5, la presión disponible debe aumentar por un factor de 52 = 25. El efecto de esta relación es obstaculizar severamente la relación de turndown. Además de afectar el caudal de agua refrigerante, hay otras dos consideraciones importantes al determinar la presión de agua refrigerante requerida:

1. La presión del agua refrigerante debe ser mayor que la presión del vapor sobrecalentado en el punto de inyección.
2. Cuanto mayor sea la caída de presión a través de la boquilla, mejor será la atomización del agua refrigerante. Cambiar el área del orificio, A - Expresando el caudal como una función del área del orificio: V ∝ A Esta relación directa significa que si, por ejemplo, el flujo debe aumentarse por un factor de 5, el área disponible también debe aumentar por un factor de 5. Este cambio puede lograrse simplemente por un orificio, que tiene la capacidad de cambiar de área (ver Figura 15.2.4), o alternativamente alterando el número de orificios que pasan el refrigerante.

• Manguitos térmicos - Se requiere un control cuidadoso de la pulverización para asegurar que el agua no caiga fuera de suspensión ya que esto puede resultar en tensiones térmicas generadas en la tubería y pueden ocurrir grietas. Sin embargo, en algunos casos, se puede usar un manguito térmico interno para proporcionar protección contra esto. El manguito térmico también permite la circulación del vapor sobrecalentado alrededor del área anular entre el manguito y el diámetro interior de la tubería. Esto proporciona una superficie caliente sobre la cual el agua inyectada puede evaporarse, a diferencia de las paredes del desuperheater, que son inevitablemente más frías.

Desuperheaters tipo pulverizaci​ón de agua

Desuperheaters de pulverización de inyección radial de punto único El método más simple de inyectar agua refrigerante es introducir una boquilla a través de la pared de la tubería. Las partículas de agua refrigerante se pulverizan a través del flujo del vapor sobrecalentado. La cantidad de agua refrigerante inyectada se controla variando la posición de la válvula en el centro de la boquilla. Ventajas:

1. Simple en operación.
2. Costo efectivo.
3. Mínima caída de presión del vapor. Desventajas:
4. Baja relación de turndown, típicamente un máximo de 3:1 tanto en el flujo de vapor como de agua refrigerante.
5. La temperatura del vapor desuperheater solo puede reducirse a 10°C por encima de la temperatura de saturación.
6. Mayor longitud de absorción que el tipo de atomización de vapor.
7. Más propenso a causar daño por erosión a la tubería interna. Esto puede superarse con el uso de un manguito térmico.
8. Tamaños de tubería limitados. Aplicaciones:
9. Carga de vapor constante.
10. Temperatura de vapor constante.
11. Temperatura del refrigerante constante. Todo lo cual significa un requisito de agua refrigerante relativamente constante. Desuperheaters de pulverización de inyección radial de múltiples puntos ****Este es un avance del desuperheater de pulverización de inyección radial de punto único. El agua refrigerante se pulveriza desde una serie de orificios alrededor del perímetro de la tubería.

Desuperheaters de pulverización de inyección axial

Este también es un desuperheater simple de pulverización de inyección en línea, pero el punto de inyección se mueve al eje de la tubería. El agua refrigerante se inyecta en el flujo de vapor a través de una o más boquillas atomizadoras (ver Figura 15.2.8). La unidad generalmente emplea un manguito térmico. La inyección axial del agua refrigerante mejora la mezcla del agua y el vapor sobrecalentado por dos métodos:

1. Como el agua se inyecta a lo largo del centro de la tubería, será más uniformemente distribuida a través del vapor sobrecalentado.
2. La tubería de suministro de agua refrigerante que se inserta en la tubería actúa como una obstrucción, creando turbulencia adicional en el punto de inyección de agua debido al desprendimiento de vórtices. Una modificación de este arreglo básico implica girar la boquilla de modo que el agua refrigerante se pulverice aguas arriba, contra el flujo de vapor. La alta velocidad del vapor sobrecalentado invierte el patrón de flujo del agua pulverizada y la envía de vuelta a través de una cámara de mezcla. Esto logra una mezcla más eficiente del agua y el vapor en una longitud de absorción corta. Ventajas:
3. Simple en operación.
4. Sin partes móviles.
5. Costo efectivo en toda la gama de tamaños.
6. Caída de presión del vapor mínima. Desventajas:
7. Baja relación de turndown, típicamente un máximo de 3:1 tanto en el flujo de vapor como de agua refrigerante.
8. La temperatura del vapor desuperheater solo puede reducirse a 10°C por encima de la temperatura de saturación.
9. Mayor longitud de absorción que el tipo de atomización de vapor, pero menos que los tipos radiales.
10. Más propenso a causar daño por erosión a la tubería interna. Esto puede superarse con el uso de un manguito térmico. Aplicaciones:
11. Carga de vapor constante.
12. Temperatura de vapor constante.
13. Temperatura del refrigerante constante. Todo lo cual significa un requisito de agua refrigerante relativamente constante.

Desuperheaters de inyección axial de múltiples boquillas

En lugar de una sola boquilla, el desuperheater de inyección axial de múltiples boquillas proporciona una serie de boquillas a través del flujo de vapor sobrecalentado. Esto da una buena dispersión de las gotas de agua. Hay tres tipos principales de desuperheater de inyección axial de múltiples boquillas:

1. Tipo de área fija - Todas las boquillas están abiertas cuando el desuperheater está operando, y el agua refrigerante se regula por una válvula de control de agua de pulverización.
2. Tipo de pulverización variable - La temperatura aguas abajo determina el número de boquillas expuestas. El agua refrigerante entra en el desuperheater a través de la camisa de agua hasta el área de sellado sobre el disco (ver Figura 15.2.12). Cuando el sistema de control de temperatura asociado detecta un aumento en la temperatura del vapor aguas abajo, el actuador mueve el vástago hacia abajo, exponiendo progresivamente más boquillas. Cuando la demanda de agua refrigerante cambia, el arreglo de vástago y disco se mueve arriba y abajo según sea necesario. Esto tiene el efecto de cambiar el área total del orificio.
3. Tipo asistido por resorte - Este es esencialmente una combinación de los dos tipos anteriores. En lugar de que el arreglo de vástago y disco sea controlado por un actuador, el tipo asistido por resorte contiene un tapón de flujo cargado por resorte, que se mueve en respuesta a un cambio en la presión diferencial entre el refrigerante y el vapor sobrecalentado. El tapón móvil cambia el número de boquillas abiertas, ajustando así el flujo hacia la tubería principal. Además, el agua refrigerante se regula por una válvula de control de agua de pulverización.

Ser capaz de controlar tanto la presión como el flujo del agua refrigerante permite un control preciso sobre la cantidad de agua inyectada en el vapor sobrecalentado. Este tipo, sin embargo, requiere una alta presión de agua refrigerante. Ventajas:

1. Se pueden lograr relaciones de turndown de hasta 8:1 con el tipo de área fija, hasta 9:1 con el tipo asistido por resorte y 12:1 para el tipo de área variable.
2. Mejor dispersión de las gotas de agua significa que la longitud de absorción es menor que la de los dispositivos de boquilla única.
3. Caída de presión del vapor mínima. Desventajas:
4. La temperatura del vapor desuperheater solo puede reducirse a 8°C por encima de la temperatura de saturación.
5. Mayor longitud de absorción que el tipo de atomización de vapor.
6. Más propenso a causar daño por erosión a la tubería interna, si no se usa un manguito térmico.
7. No adecuado para tamaños de tubería pequeños.
8. Requiere agua refrigerante de alta presión (particularmente cierto para el tipo asistido por resorte).
9. Los tipos de área variable y asistido por resorte pueden ser costosos. Aplicaciones:
10. Aplicaciones con un requisito de relación de turndown mayor que la ofrecida por dispositivos de boquilla única, pero donde el gasto de dispositivos más sofisticados no se justifica.
11. Carga de vapor constante.
12. Temperatura de vapor constante.
13. Temperatura del refrigerante constante. Todo lo cual requiere una carga de desuperheating relativamente constante.