Otros tipos de desuperheater

Desuperheaters tipo Venturi

El desuperheater tipo Venturi emplea una restricción en la tubería de vapor sobrecalentado para crear una región de alta velocidad y turbulencia donde se inyecta el agua refrigerante. Esto ayuda a establecer un contacto íntimo entre el vapor y el agua refrigerante, mejorando la eficiencia del proceso de desuperheating. El proceso de desuperheating se realiza en dos fases separadas:

1. La primera etapa de desuperheating ocurre en el difusor interno. Una porción del vapor se acelera en la tobera interna y la velocidad se usa para atomizar el agua entrante. El agua refrigerante se inyecta en el difusor a través de una serie de pequeños chorros, lo que ayuda a atomizar aún más el agua.
2. En la segunda etapa de desuperheating, una niebla o neblina saturada emerge del difusor interno hacia el difusor principal donde se mezcla con el resto del vapor. El difusor principal en sí crea una restricción al resto del vapor aumentando así su velocidad en esta región. Por lo tanto, hay una región de turbulencia donde ocurre la segunda etapa de desuperheating. Este mecanismo minimiza el contacto del agua refrigerante con las paredes laterales, combinando la máxima efectividad de desuperheating con el mínimo desgaste de la tubería.

La relación de turndown del flujo de vapor varía dependiendo de las condiciones reales, pero 4:1 es típico.

En aplicaciones donde hay una estación de reducción de presión dedicada aguas arriba del desuperheater, el turndown de vapor disponible puede mejorarse a más de 5:1.

El turndown de agua refrigerante generalmente es satisfactorio para la mayoría de aplicaciones de planta, con 20:1 posible dependiendo de las condiciones operativas reales. A turndowns de agua refrigerante por encima de 20:1, también aumenta la necesidad de una bomba de refuerzo de agua refrigerante.

Los desuperheaters tipo Venturi pueden instalarse horizontalmente o verticalmente con el flujo de vapor hacia arriba. Cuando se instalan verticalmente, ocurre una mejor mezcla que puede resultar en una relación de turndown mejorada de más de 5:1. El problema principal con esto es asegurar que hay suficiente espacio vertical para instalar el desuperheater, ya que será de más de varios metros de largo.

Una modificación del desuperheater tipo Venturi estándar es el desuperheater attemperator. Este esencialmente usa el mismo método de inyectar el refrigerante en el vapor sobrecalentado, pero no utiliza la sección de mezcla en forma de Venturi. Los desuperheaters attemperator se usan en lugar del tipo Venturi donde hay suficiente espacio disponible para instalar una tubería de absorción larga, especialmente donde se requiere un turndown ligeramente mayor, pero donde el costo adicional de un tipo atomizador de vapor no se justifica.

El término attemperator también se usa generalmente para referirse a un desuperheater que se instala después de una caldera o sobrecalentador para dar un control preciso sobre la temperatura y presión. Ventajas:

1. Relaciones de turndown de vapor de hasta 5:1 y turndowns de agua refrigerante de más de 20:1.
2. Principio de operación simple (aunque más complejo que el tipo de pulverización).
3. Sin partes móviles.
4. Control preciso de la temperatura del vapor desuperheater; típicamente dentro de 3°C de la temperatura de saturación.
5. Adecuado para operación bajo condiciones de vapor estables o variables.
6. Hay desgaste reducido en la tubería aguas abajo comparado con un desuperheater de pulverización, ya que el agua refrigerante emerge como una niebla en lugar de como un chorro. Desventajas:
7. Se incurre en caída de presión (aunque generalmente es pequeña y dentro de límites aceptables).
8. La longitud de absorción es aún mayor que el tipo atomizador de vapor; por lo que se requiere más espacio para la instalación.
9. Se requiere un caudal mínimo de agua refrigerante. Aplicaciones:
10. Adecuado para la mayoría de aplicaciones generales de planta, excepto donde se requieren altos turndowns en el caudal de vapor.

Desuperheaters atomizadores de vapor

Los desuperheaters atomizadores de vapor emplean un suministro auxiliar de vapor de alta presión para atomizar el agua refrigerante entrante. El proceso de desuperheating ocurre en dos etapas: La primera etapa ocurre en el difusor, donde el agua refrigerante es atomizada por el vapor atomizador de alta velocidad. La presión del vapor auxiliar debe ser al menos 1.5 veces la presión de entrada del desuperheater, típicamente con una presión mínima de 4 bar a. El caudal del vapor atomizador normalmente está entre el 2% y el 5% del flujo de la línea principal. El uso de vapor atomizador significa que el agua refrigerante puede introducirse en el difusor a presiones más bajas. En general, el único requisito es que la presión debe ser mayor que la del vapor sobrecalentado. En la segunda etapa, una niebla o neblina húmeda emerge del difusor donde se mezcla con el vapor de la línea principal en la tubería. La evaporación ocurre en las tuberías inmediatamente aguas abajo del desuperheater, donde las gotas de agua restantes permanecen suspendidas en el vapor y gradualmente se evaporan.

Usar vapor para atomizar el agua refrigerante produce partículas de agua finamente atomizadas, lo que asegura una transferencia de calor y evaporación eficientes.

Este arreglo permite altas relaciones de turndown de vapor; relaciones de hasta 50:1 son posibles. Sin embargo, debe notarse que a turndowns mayores de 20:1, las bajas velocidades de tubería pueden resultar en el ‘asentamiento’ del agua, causado por el momento decreciente de las gotas de agua. En este caso, se requiere un arreglo de drenaje y recirculación (ver Figura 15.3.3). Si no se puede instalar tal arreglo de recirculación, la relación de turndown se reducirá. La instalación típica de un desuperheater atomizador de vapor se ilustra en la Figura 15.3.3. Ventajas:

1. Buen turndown - es posible un turndown de vapor de hasta 50:1, pero la operación y el control son más eficientes para un turndown de alrededor de 20:1.
2. Muy compacto - con una longitud de absorción corta relativa a los otros tipos.
3. La caída de presión es insignificante.
4. El agua refrigerante usada puede ser fría, ya que el vapor atomizador la precalentará.
5. Baja aproximación a la temperatura de saturación - típicamente hasta 6°C de la temperatura de saturación. Desventajas:
6. Se requiere vapor auxiliar de alta presión.
7. La cantidad de equipo adicional requerido y las tuberías adicionales son relativamente costosas. Aplicaciones:
8. Adecuado para aplicaciones donde los caudales de vapor variarán ampliamente, por ejemplo en estaciones combinadas de reducción de presión y desuperheating.

Desuperheater de orificio variable

El desuperheater de orificio variable controla el flujo de agua refrigerante hacia la línea principal mediante un tapón flotante libre colocado en el flujo. El desuperheater de orificio variable consiste en un tapón que se mueve arriba y abajo en una jaula. Este movimiento está limitado por un tope de recorrido incorporado en la parte superior de la jaula. Su posición dentro de la jaula depende del flujo de vapor sobrecalentado en la línea principal. Bajo condiciones de flujo cero, el tapón descansa sobre un anillo de asiento, rodeado por un anillo de agua refrigerante. Cuando el vapor sobrecalentado comienza a fluir a través del desuperheater, el tapón es forzado fuera del asiento por la presión del vapor. A medida que el flujo aumenta, el tapón se levanta más lejos del asiento, creando así un orificio variable entre el tapón y el asiento. El aumento de velocidad entre el tapón y el asiento crea una caída de presión a través del anillo, succionando agua hacia el flujo de vapor sobrecalentado. La baja presión que succiona el agua hacia la tubería también ayuda a atomizar el agua en una niebla fina. La turbulencia asociada con el cambio de velocidad y dirección del vapor asiste en la mezcla del refrigerante y el vapor. Los vórtices creados inmediatamente aguas arriba del tapón aseguran que el refrigerante se mezcle completamente con el vapor. La mezcla eficiente del refrigerante y el vapor sobrecalentado dentro del cuerpo del desuperheater significa que la longitud de absorción es relativamente corta, y el elemento sensor de temperatura puede instalarse dentro de 4 o 5 metros del cuerpo del desuperheater. La velocidad a la que el agua refrigerante entra en el anillo se varía por una válvula de control que se regula como función de la temperatura aguas abajo. El tapón generalmente está equipado con un émbolo cargado por resorte, que aumenta la fricción entre el tapón y la jaula, amortiguando efectivamente el movimiento del tapón. Dada una caída de presión fija a través de la válvula, esto efectivamente permite que la cantidad de agua refrigerante se varíe al mezclarse con el flujo de vapor sobrecalentado. El émbolo también proporciona estabilidad bajo condiciones de carga ligera. El hecho de que el refrigerante no se pulverice en el desuperheater, y que virtualmente todo el desuperheating ocurre en el cuerpo del dispositivo, significa que hay poco desgaste de las tuberías asociadas o del desuperheater mismo. Por lo tanto, los manguitos térmicos son innecesarios. Una instalación típica de un desuperheater de orificio variable se ilustra en la Figura 15.3.6. Ventajas:

1. El turndown está limitado solo por la válvula de control de agua refrigerante, y relaciones de turndown de vapor de hasta 100:1 pueden lograrse fácilmente.
2. Baja aproximación a la temperatura de saturación - típicamente hasta 2.5°C de la temperatura de saturación.
3. Longitud de absorción corta.
4. La presión del agua refrigerante solo necesita ser 0.4 bar superior a la presión del vapor sobrecalentado.
5. Las velocidades del vapor sobrecalentado pueden ser muy bajas. Desventajas:
6. Caída de presión significativa a través del desuperheater.
7. Costo relativamente mayor.
8. El desuperheater debe instalarse verticalmente. Si una curva se ubica inmediatamente después de la salida, debe tener un radio largo. Aplicaciones:
9. Adecuado para aplicaciones donde el caudal de vapor variará ampliamente y una caída de presión relativamente alta no es crítica.
10. Donde la velocidad del vapor puede ser muy baja.

Válvula combinada de control de presión y desuperheater

En algunos casos, es conveniente integrar la válvula de control de presión y el desuperheater en una sola unidad. El aspecto de reducción de presión es similar a una válvula reductora de presión estándar. Aunque se podrían usar varios diseños diferentes de válvulas reductoras de presión, las configuraciones angular o de globo se usan más comúnmente. Además, la válvula generalmente es del tipo equilibrado (con un tapón de equilibrio o un arreglo de fuelle equilibrado) para reducir la fuerza de actuación requerida. Como el control preciso de presión generalmente es importante en aplicaciones de desuperheater, la actuación neumática de la válvula es prácticamente universal, y también el uso de posicionadores. Además, porque pueden involucrarse caídas de presión bastante sustanciales, el fabricante a menudo ofrecerá un trim de reducción de ruido para la válvula de control de presión (ver Figura 15.3.8). El aspecto de desuperheating también variará dependiendo de la aplicación, pero es común usar un tipo de inyección radial multipunto. La mezcla del refrigerante y el vapor mejora debido a la alta velocidad del vapor sobrecalentado después de la válvula reductora de presión. Los desuperheaters de tipo inyección radial tienen la ventaja de que pueden combinarse fácilmente con la válvula reductora de presión para producir una sola unidad. En algunas estaciones combinadas de control de presión y desuperheating, hay una serie de placas deflectoras instaladas inmediatamente después de la estación de desuperheating. Estas placas inducen caída de presión adicional y mejoran la mezcla del vapor y el refrigerante. Las estaciones combinadas de válvula de control de presión y desuperheating se usan comúnmente en derivaciones de turbinas, donde la válvula descarga el flujo directamente al condensador o al ‘recalentamiento en frío’.

Comparación de tipos de desuperheater

La Tabla 15.3.1 compara las características típicas de rendimiento e instalación de los diferentes tipos de desuperheater. Debe notarse que estas propiedades pueden variar entre diferentes fabricantes, y de hecho, pueden depender de las condiciones operativas particulares del sistema.