Calentamiento de Cubas y Tanques por Inyección de Vapor

La inyección directa de vapor implica la descarga de burbujas de vapor en un líquido a menor temperatura para transferir calor. Este tutorial explica el proceso y los métodos utilizados, incluyendo los cálculos relevantes de transferencia de calor.

La inyección directa de vapor implica la descarga de una serie de burbujas de vapor en un líquido a menor temperatura. Las burbujas de vapor se condensan y ceden su calor al líquido circundante. El calor se transfiere por contacto directo entre el vapor y el líquido, consecuentemente este método solo se usa cuando la dilución y el aumento de la masa del líquido es aceptable. Por lo tanto, el líquido que se está calentando es generalmente agua. La inyección directa de vapor rara vez se usa para calentar soluciones en las que ocurre una reacción química, ya que la dilución de la solución reduciría la tasa de reacción y disminuiría la productividad. La inyección directa de vapor es el método más ampliamente utilizado para el calentamiento de tanques de alimentación de calderas en toda la industria. Este método a menudo se elige por su simplicidad. No se requiere superficie de transferencia de calor ni conjunto de trampa de vapor, y no hay necesidad de considerar el sistema de retorno de condensado.

Cálculos de consumo de vapor

Durante la inyección directa de vapor, el calor se transfiere de una manera diferente al intercambio de calor indirecto. Como el calor no se transfiere a través de una superficie, y el vapor se mezcla libremente con el fluido de proceso que se está calentando, la cantidad de calor utilizable en el vapor debe calcularse de una manera diferente. Esto puede encontrarse usando la Ecuación 2.11.1:

La Ecuación 2.11.1 muestra que la inyección de vapor utiliza toda la entalpía de evaporación (o calor latente) y una proporción de la entalpía del líquido contenida en el vapor. La proporción real de la entalpía del líquido utilizada dependerá de la temperatura del agua al final del proceso de inyección.

Una diferencia principal entre el calentamiento indirecto y la inyección directa de vapor es que el volumen (y la masa) del fluido de proceso aumenta a medida que se agrega vapor, por la cantidad de vapor inyectado. Otra diferencia es que, al calcular el flujo másico de vapor a un serpentín de vapor, se considera la presión en el serpentín, pero para la inyección de vapor, se considera la presión antes de la válvula de control. En algunos casos (donde la superficie del líquido no está al nivel del tubo de desbordamiento), esto aumentará la carga de líquido sobre el inyector a medida que avanza el tiempo. Sin embargo, este aumento es probablemente pequeño y rara vez se tiene en cuenta en los cálculos.

Factores que influyen en la tasa de transferencia de calor

En la Ecuación 2.11.1, la tasa de consumo de vapor está directamente relacionada con el requisito de calor. A menos que el sistema de inyección de vapor esté diseñado de manera que todas las condiciones sean propicias para la transferencia de calor máxima, las burbujas de vapor pueden simplemente romper la superficie del líquido y escapar a la atmósfera; parte del calor contenido en el vapor se perderá hacia la atmósfera y la tasa real de transferencia de calor al agua será menor a la esperada. En el caso de un serpentín sumergido, la tasa máxima de transferencia de calor al inicio del período de calentamiento dependerá del flujo máximo de vapor permitido a través de la válvula de control y su tubería asociada, y la salida máxima de calor permitida por el área de la superficie del serpentín. Durante la inyección directa de vapor, podría esperarse que la tasa máxima de transferencia de calor al inicio del período de calentamiento dependa del flujo máximo a través de la válvula de control, y del tubo o inyector mismo. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, también dependerá de otros factores como:

• Tamaño de la burbuja de vapor La condensación de una burbuja de vapor dependerá de la transferencia de calor a través de la superficie de la burbuja. Para asegurar que la burbuja de vapor se condense completamente, la relación superficie/volumen debe ser lo más grande posible. Las burbujas más pequeñas tienen mayor superficie por unidad de volumen que las burbujas más grandes, por lo que es deseable producir burbujas muy pequeñas. La presión diferencial (entre el tubo de vapor y el punto donde el vapor se descarga al agua) cuando emerge la burbuja también afectará el tamaño de la burbuja de vapor. El volumen específico del vapor aumentará a medida que se reduce la presión, de modo que una caída de presión aumentará el tamaño de la burbuja de vapor a medida que escapa al líquido. Incluso si la burbuja de vapor se emite desde un orificio muy pequeño, la burbuja puede aumentar significativamente de tamaño si la presión del vapor es alta. En consecuencia, una presión más baja en el tubo distribuidor es mejor.
• Carga de líquido sobre el punto de inyección La carga de líquido sobre el punto de inyección creará una contrapresión de modo que la presión diferencial será menor que la presión del vapor. Si la carga de líquido es grande y la presión del vapor en el tubo distribuidor es baja, puede haber solo un cambio muy pequeño en la presión de modo que el tamaño de las burbujas formadas se mantenga al mínimo. Una mayor carga de líquido sobre el punto de inyección dará a las burbujas de vapor la máxima oportunidad de condensarse antes de alcanzar la superficie.
• Velocidad de la burbuja La velocidad de la burbuja en el punto de inyección también dependerá de la diferencia entre la presión del vapor y la carga del líquido. Es deseable mantener esta presión diferencial tan baja como posible, de modo que las velocidades de las burbujas sean también tan bajas como posible y las burbujas tengan el máximo tiempo para condensarse antes de alcanzar la superficie.
• Temperatura del líquido La tasa a la que el vapor se condensará es directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre el vapor y el líquido que se está calentando. Como con todos los procesos de transferencia de calor, la tasa de intercambio de calor es directamente proporcional a la diferencia de temperatura. Es siempre aconsejable asegurar que la temperatura del líquido esté correctamente controlada y se mantenga al mínimo requerido para la aplicación, de modo que la tasa máxima de transferencia de calor se mantenga y no haya desperdicio de energía.

Este es simplemente un tubo montado dentro del tanque, con orificios perforados en posiciones regulares (típicamente a las 4 y las 8 en punto) vistos desde el extremo, espaciados uniformemente a lo largo de la longitud del tubo, y con el extremo cerrado. El vapor sale del tubo a través de los orificios como pequeñas burbujas, que se condensarán como se espera o alcanzarán la superficie del líquido (consulte la Figura 2.11.1).

Los tubos distribuidores son económicos de fabricar y fáciles de instalar, pero son propensos a causar altos niveles de vibración y ruido. Un método mucho más efectivo es usar un inyector de vapor diseñado apropiadamente.

Ejemplo 2.11.1 - Determinar la carga de vapor para calentar un tanque de agua por inyección de vapor

Estos cálculos (pasos 1 a 5) se basan en los Ejemplos 2.9.1 y 2.10.1 en lo que respecta a las pérdidas de calor, pero con el tanque conteniendo agua (cp = 4.19 kJ/kg °C), en lugar de una solución de ácido débil y el agua se calienta por inyección de vapor en lugar de un serpentín de vapor. Paso 1 - encontrar la energía requerida para calentar 12 000 kg de agua de 8°C a 60°C en 2 horas usando la Ecuación 2.6.1:

El vapor se suministra a la válvula de control a 2.6 bar g. Para calcular el flujo medio de vapor, es necesario determinar la entalpía total en el vapor (hg) a esta presión. Se puede ver de la Tabla 2.11.1 (un extracto de las tablas de vapor) que la entalpía total del vapor (hg) a 2.6 bar g es 2733.89 kJ/kg.

Tabla 2.11.1 Extracto de tablas de vapor

Paso 2 - encontrar el flujo medio de vapor para calentar el agua usando la Ecuación 2.11.1:

Paso 3 - encontrar el flujo medio de vapor para calentar el material del tanque (acero). Del Ejemplo 2.9.1, la tasa media de transferencia de calor para el material del tanque = Q̇(tanque) = 14 kW El flujo medio de vapor para calentar el material del tanque se calcula nuevamente usando la Ecuación 2.11.1:

Paso 4 - encontrar el flujo medio de vapor para compensar las pérdidas de calor del tanque durante el calentamiento. Del Ejemplo 2.9.1:

Mientras es razonable aceptar que la entalpía del líquido del vapor contribuirá al aumento de temperatura del agua y el material del tanque, es más difícil aceptar cómo la entalpía del líquido del vapor añadiría al calor perdido del tanque debido a la radiación. Por lo tanto, la ecuación para calcular el vapor usado para pérdidas de calor (Ecuación 2.11.2) considera solo la entalpía de evaporación en el vapor a presión atmosférica.

Paso 5 - Determinar la carga de vapor para calentar un tanque de agua por inyección de vapor. El flujo total medio de vapor puede calcularse de la siguiente manera:

Es importante recordar con los sistemas de inyección de vapor que la masa final del líquido es igual a la masa del líquido frío, más la masa de vapor agregada.

En este ejemplo, el proceso comenzó con 12 000 kg de agua. Durante el período requerido de calentamiento de 2 horas, se ha inyectado vapor a una tasa de 569 kg/h. La masa del líquido ha aumentado por lo tanto en 2 h x 569 kg/h = 1 138 kg. La masa final del líquido es: 12 000 kg + 1 138 kg = 13 138 kg Los 1138 kg adicionales de condensado tienen un volumen de aproximadamente 1 138 litros (1.138 m³) y también habrán aumentado el nivel del agua en:

Claramente, el tanque de proceso necesita tener suficiente espacio por encima del nivel inicial del agua para permitir este aumento. Por seguridad, siempre debe incluirse un desbordamiento en la construcción del tanque donde se involucra inyección de vapor.

Alternativamente, si el requisito del proceso hubiera sido terminar con una masa de 12 000 kg, la masa de agua al inicio del proceso sería:

Una alternativa más efectiva al tubo distribuidor es el inyector de vapor como se muestra en la Figura 2.11.3. El inyector aspira líquido frío y lo mezcla con vapor dentro del inyector, distribuyendo líquido calentado al tanque.

El diseño ingenieril del cuerpo del inyector es más sofisticado que el simple tubo distribuidor, y permite usar vapor a presiones más altas. Se crea una zona turbulenta dentro del cuerpo del inyector, lo que asegura que ocurra una mezcla completa del vapor y el líquido, incluso a presiones relativamente altas. Esto tiene el efecto de agitar y circular el líquido de modo que se mantiene una temperatura constante a lo largo del tanque, sin estratificación de temperatura ni puntos fríos.

Estos inyectores son más compactos que los tubos distribuidores, en consecuencia cualquier interferencia con objetos que puedan sumergirse en el tanque puede evitarse. Son más robustos y generalmente más silenciosos que los tubos distribuidores, aunque los problemas de ruido pueden encontrarse si no se instalan correctamente.

Ruidos relacionados con inyectores de vapor

Al usar inyectores de vapor de alta presión se producen tres niveles distintos de ruido bajo las siguientes condiciones:

• Funcionamiento normal Donde las presiones del vapor en la entrada del inyector están por encima de 2 bar g, el ruido producido durante las condiciones normales de funcionamiento puede describirse como un rugido suave. El ruido es causado por la condensación del vapor dentro del tubo de descarga, cuando se mezcla con agua recirculante que entra a través de los orificios en el cuerpo de la fundición. En condiciones normales, la descarga del tubo del inyector es aproximadamente 10 °C más caliente que el agua entrante. Este tipo de ruido aumenta con la presión del vapor, la temperatura del agua y el número de inyectores, pero rara vez es molesto a presiones de vapor por debajo de 8 bar g. Aunque ocurre una fuerte circulación del contenido del tanque a presiones por encima de 8 bar g, debe experimentarse poca vibración.
• Condensación incompleta Esto se caracteriza por un ruido suave de golpeteo y a veces va acompañado de vibración fuerte. Ocurre cuando la temperatura del líquido es demasiado alta (generalmente por encima de 90 °C). Cuando el líquido está demasiado caliente, el inyector se vuelve menos eficiente y una proporción del vapor escapa del tubo de descarga. A presiones de vapor más altas, la condensación del vapor puede causar vibración, lo cual no se recomienda para tanques atmosféricos. Sin embargo, en recipientes a presión cilíndricos de diseño robusto, esto puede no causar problemas.
• Bajos caudales Cuando la presión del vapor en la entrada del inyector cae por debajo de 1.5 bar g, se puede oír un crepitar distintivo. Bajo estas condiciones el vapor no puede ceder su entalpía de evaporación antes de salir del tubo del inyector. A bajos caudales el vapor viaja a una velocidad menor que en los otros modos de operación, y las burbujas de vapor colapsantes se encuentran en la fundición del cuerpo y en la tubería de conexión, induciendo cavitación. Este ruido a menudo se considera molesto, y puede encontrarse si el sistema de inyección de vapor ha sido sobredimensionado. El ruido también puede ser causado por una instalación deficiente del inyector. Los laterales de un tanque rectangular pueden estar hechos de paneles bastante flexibles. Conectar un inyector al centro de un panel flexible puede inducir vibración y ruido. Puede ser mejor montar el inyector más cerca de la esquina del tanque donde la estructura es más rígida.

Ejemplo 2.11.2

Basado en datos del Ejemplo 2.11.1, proponga un sistema de inyección de vapor. Tasa de inyección de vapor requerida = 569 kg/h La presión de inyección de vapor = 1.0 bar

Tabla 2.11.2 Tabla típica de capacidad de inyectores de vapor

El inyector más grande (IN40M) tiene una capacidad de 400 kg/h a 1.0 bar, por lo que esta aplicación requerirá:

Idealmente, debido a las bajas presiones involucradas, los inyectores se instalarían en extremos opuestos del tanque para dar una buena mezcla.

Una alternativa sería usar vapor de mayor presión. Esto permitiría el uso de solo un inyector más pequeño, reduciendo costos y aún proporcionando una buena mezcla.

Método alternativo de calcular la carga de vapor inyectado

El método anterior usado en este Módulo para calcular el flujo medio de vapor requiere que primero se calcule la carga media de calor. Esto se representa por la Ecuación 2.11.1:

Si no se conoce la tasa media de transferencia de calor, puede usarse otro método para determinar el flujo medio de vapor. Esto requiere el uso de un balance de calor como se describe a continuación.

Debe notarse que ambos métodos devuelven exactamente el mismo resultado, por lo que cualquiera que se use depende de la elección del usuario. Calculando el flujo medio de vapor por medio de un balance de calor Se considera un balance de calor donde el contenido de calor inicial en el agua más el calor agregado por el vapor es igual al contenido de calor final. La ecuación de balance de calor para el agua en el tanque se muestra en la Ecuación 2.11.3:

Masa de vapor a inyectar

La masa de vapor a inyectar puede determinarse más directamente de la Ecuación 2.11.4, que se desarrolla a partir de la Ecuación 2.11.3.

Ejemplo 2.11.3

Considere las mismas condiciones que en el Ejemplo 2.11.1.

Realizando un balance de calor en el agua del tanque usando la Ecuación 2.11.4:

Realizando un balance de calor en el material del tanque

Las pérdidas de calor de los laterales del tanque y la superficie del agua son las mismas calculadas previamente, es decir, 24 kg/h.

Este es el mismo resultado obtenido previamente en este Módulo de las Ecuaciones 2.11.1 y 2.11.2, y prueba que cualquiera de los dos métodos puede usarse para calcular el flujo medio de vapor para calentar el tanque y su contenido.