Métodos de Estimación del Consumo de Vapor

Cómo calcular los requisitos de vapor para aplicaciones de flujo y no flujo. Incluyendo calentamiento, pérdidas de calor y cargas de operación.

El diseño óptimo de un sistema de vapor dependerá en gran medida de si la tasa de consumo de vapor se ha establecido con precisión. Esto permitirá calcular los tamaños de las tuberías, mientras que los accesorios como válvulas de control y trampas de vapor pueden dimensionarse para dar los mejores resultados posibles. La demanda de vapor de la planta puede determinarse usando una serie de métodos diferentes: Cálculo

Analizando la salida de calor en un elemento de planta usando ecuaciones de transferencia de calor, puede ser posible obtener una estimación para el consumo de vapor. Aunque la transferencia de calor no es una ciencia exacta y puede haber muchas variables desconocidas, es posible utilizar datos experimentales previos de aplicaciones similares. Los resultados adquiridos usando este método generalmente son lo suficientemente precisos para la mayoría de los propósitos. Medición

El consumo de vapor puede determinarse por medición directa, usando equipos de medición de flujo. Esto proporcionará datos relativamente precisos sobre el consumo de vapor para una planta existente. Sin embargo, para una planta que aún está en la etapa de diseño, o no está en funcionamiento, este método es de poca utilidad. Clasificación térmica

La clasificación térmica (o clasificación de diseño) a menudo se muestra en la placa de identificación de un elemento individual de planta, según lo proporcionado por los fabricantes. Estas clasificaciones generalmente expresan la salida de calor anticipada en kW, pero el consumo de vapor requerido en kg/h dependerá de la presión de vapor recomendada. Un cambio en cualquier parámetro que pueda alterar la salida de calor anticipada, significa que la clasificación térmica (de diseño) y la carga conectada (consumo real de vapor) no serán iguales. La clasificación del fabricante es una indicación de la capacidad ideal de un elemento y no necesariamente equivale a la carga conectada.

En la mayoría de los casos, el calor en el vapor se requiere para hacer dos cosas:

1. Producir un cambio de temperatura en el producto, es decir proporcionar un componente de ‘calentamiento’
2. Mantener la temperatura del producto a medida que el calor se pierde por causas naturales o por diseño, es decir proporcionando un componente de ‘pérdida de calor’. En cualquier proceso de calentamiento, el componente de ‘calentamiento’ disminuirá a medida que la temperatura del producto aumenta, y la temperatura diferencial entre el serpentín de calentamiento y el producto se reduce. Sin embargo, el componente de pérdida de calor aumentará a medida que la temperatura del producto aumenta y más calor se pierde al entorno desde el recipiente o la tubería. La demanda total de calor en cualquier momento es la suma de estos dos componentes. La ecuación usada para establecer la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una sustancia (Ecuación 2.1.4, del módulo 2), puede desarrollarse para aplicarse a una gama de procesos de transferencia de calor.

En su forma original esta ecuación puede usarse para determinar una cantidad total de energía térmica a lo largo de todo el proceso. Sin embargo, en su forma actual, no tiene en cuenta la tasa de transferencia de calor. Para establecer las tasas de transferencia de calor, los diversos tipos de aplicación de intercambio de calor pueden dividirse en dos categorías amplias: Aplicaciones de tipo no flujo

donde el producto que se calienta es una masa fija y un lote único dentro de los confines de un recipiente. Aplicaciones de tipo flujo

donde un fluido calentado fluye constantemente sobre la superficie de transferencia de calor.

En aplicaciones de tipo no flujo, el fluido de proceso se mantiene como un lote único dentro de los confines de un recipiente. Un serpentín de vapor situado en el recipiente, o una camisa de vapor alrededor del recipiente, puede constituir la superficie de calentamiento. Ejemplos típicos incluyen calentadores de almacenamiento de agua caliente como se muestra en la Figura 2.6.1 y tanques de almacenamiento de aceite donde un gran tanque circular de acero se llena con un aceite viscoso que requiere calor antes de poder ser bombeado. Algunos procesos se relacionan con el calentamiento de sólidos; ejemplos típicos son prensas de neumáticos, planchadoras de lavandería, vulcanizadoras y autoclaves.

En algunas aplicaciones de tipo no flujo, el tiempo de calentamiento del proceso no es importante y se ignora. Sin embargo, en otras, como tanques y vulcanizadoras, puede no solo ser importante sino crucial para el proceso general.

Considere dos procesos de calentamiento de no flujo que requieren la misma cantidad de energía térmica pero diferentes duraciones de tiempo para calentarse. Las tasas de transferencia de calor diferirían mientras que las cantidades totales de calor transferido serían las mismas.

La tasa media de transferencia de calor para tales aplicaciones puede obtenerse modificando la Ecuación 2.1.4 a la Ecuación 2.6.1:

Ejemplo 2.6.1

Calculando la tasa media de transferencia de calor en una aplicación de no flujo. Una cantidad de aceite se calienta desde una temperatura de 35 °C a 120 °C durante un período de 10 minutos (600 segundos). El volumen del aceite es 35 litros, su gravedad específica es 0.9 y su capacidad calorífica específica es 1.9 kJ/kg °C en ese rango de temperatura. Determine la tasa de transferencia de calor requerida: Como la densidad del agua a Temperatura y Presión Estándar (STP) es 1 000 kg/m³

La Ecuación 2.6.1 puede aplicarse independientemente de si la sustancia que se está calentando es un sólido, un líquido o un gas.

Sin embargo, no tiene en cuenta la transferencia de calor involucrada cuando hay un cambio de fase. La cantidad de calor proporcionada por la condensación del vapor puede determinarse por la Ecuación 2.6.2:

Se deduce entonces que el consumo de vapor puede determinarse a partir de la tasa de transferencia de calor y viceversa, de la Ecuación 2.6.3.

Si se asume en esta etapa que la transferencia de calor es 100% eficiente, entonces el calor proporcionado por el vapor debe ser igual al requisito de calor del fluido que se va a calentar. Esto puede entonces usarse para construir un balance de calor, en el cual la energía térmica suministrada y requerida se igualan:

Ejemplo 2.6.2

Un tanque que contiene 400 kg de queroseno debe calentarse de 10 °C a 40 °C en 20 minutos (1 200 segundos), usando vapor a 4 bar g. El queroseno tiene una capacidad calorífica específica de 2.0 kJ/kg °C en ese rango de temperatura. hfg a 4.0 bar g es 2 108.1 kJ/kg. El tanque está bien aislado y las pérdidas de calor son despreciables.

En algunas aplicaciones de tipo no flujo, la duración del proceso por lotes puede no ser crítica, y un tiempo de calentamiento más largo puede ser aceptable. Esto reducirá el consumo instantáneo de vapor y el tamaño del equipo de planta requerido.

Ejemplos típicos incluyen intercambiadores de calor de carcasa y tubos, consulte la Figura 2.6.2 (también denominados calentadores sin almacenamiento) e intercambiadores de calor de placas, proporcionando agua caliente a sistemas de calefacción o procesos industriales. Otro ejemplo sería una batería de calentadores de aire donde el vapor cede su calor al aire que pasa constantemente.

La Figura 2.6.3 proporciona un perfil de temperatura típico en un intercambiador de calor con un caudal de fluido secundario constante. La temperatura de condensación (TS) permanece constante a lo largo del intercambiador de calor.

El fluido se calienta desde T1 en la válvula de entrada hasta TS en la salida del intercambiador de calor.

Para un caudal secundario fijo, la carga térmica requerida (Q̇) es proporcional al aumento de temperatura del producto (ΔT). Usando la Ecuación 2.6.1:

Consumo medio de vapor

El consumo medio de vapor de una aplicación de tipo flujo como un intercambiador de calor de proceso o calentador puede determinarse de la Ecuación 2.6.6, como se muestra en la Ecuación 2.6.7.

Pero como la transferencia de calor media es, en sí misma, calculada del caudal másico, el calor específico, y el aumento de temperatura, es más fácil usar la Ecuación 2.6.7.

Ejemplo 2.6.3

Vapor saturado seco a 3 bar g se usa para calentar agua fluyendo a una tasa constante de 1.5 l/s desde 10°C a 60°C. hfg a 3 bar g es 2 133.4 kJ/kg, y el calor específico del agua es 4.19 kJ/kg °C Determine el flujo de vapor de la Ecuación 2.6.7: Como 1 litro de agua tiene una masa de 1 kg, el caudal másico = 1.5 kg/s

En el arranque, la temperatura de entrada, T1 puede ser menor que la temperatura de entrada esperada a la carga de operación completa, causando una demanda de calor más alta. Si el tiempo de calentamiento es importante para el proceso, el intercambiador de calor necesita dimensionarse para proporcionar esta demanda de calor aumentada. Sin embargo, las cargas de arranque generalmente se ignoran en los cálculos de diseño de tipo flujo, ya que los arranques generalmente son infrecuentes, y el tiempo que toma alcanzar las condiciones de diseño no es demasiado importante. La superficie de calentamiento del intercambiador de calor por lo tanto generalmente se dimensiona con las condiciones de carga de operación.

En aplicaciones de tipo flujo, las pérdidas de calor del sistema tienden a ser considerablemente menores que el requisito de calentamiento, y generalmente se ignoran. Sin embargo, si las pérdidas de calor son grandes, la pérdida media de calor (principalmente de la tubería de distribución) debe incluirse al calcular el área de superficie de calentamiento.

Componentes de calentamiento y pérdida de calor

En cualquier proceso de calentamiento, el componente de calentamiento disminuirá a medida que la temperatura del producto aumenta, y la temperatura diferencial a través del serpentín de calentamiento se reduce. Sin embargo, el componente de pérdida de calor aumentará a medida que la temperatura del producto y del recipiente aumenta, y más calor se pierde al entorno desde el recipiente o la tubería. La demanda total de calor en cualquier momento es la suma de estos dos componentes. Si la superficie de calentamiento se dimensiona solo considerando el componente de calentamiento, es posible que no haya suficiente calor disponible para que el proceso alcance su temperatura esperada. El elemento de calentamiento, cuando se dimensiona con la suma de los valores medios de estos dos componentes, normalmente debería poder satisfacer la demanda total de calor de la aplicación. A veces, con tanques de almacenamiento de aceite a granel muy grandes, por ejemplo, puede tener sentido mantener la temperatura de almacenamiento más baja que la temperatura de bombeo requerida, ya que esto reducirá las pérdidas de calor del área de superficie del tanque. Puede emplearse otro método de calentamiento, como un calentador de salida, como se muestra en la Figura 2.6.4.

Los elementos de calentamiento están encerrados en una cubierta metálica que sobresale en el tanque y están diseñados de manera que solo el aceite en las inmediaciones se extrae y se calienta a la temperatura de bombeo. El calor por lo tanto solo se demanda cuando se extrae aceite, y dado que la temperatura del tanque se reduce, a menudo se puede prescindir del aislamiento. El tamaño del calentador de salida dependerá de la temperatura del aceite a granel, la temperatura de bombeo y la tasa de bombeo.

Agregar materiales a tanques de proceso abiertos por la parte superior también puede considerarse como un componente de pérdida de calor que aumentará la demanda térmica. Estos materiales actuarán como un sumidero de calor cuando se sumerjan, y deben considerarse al dimensionar el área de superficie de calentamiento. Independientemente de la aplicación, cuando la superficie de transferencia de calor necesita calcularse, es primero necesario evaluar la tasa total media de transferencia de calor. De aquí, la demanda de calor y la carga de vapor pueden determinarse para carga completa y arranque. Esto permitirá que el tamaño de la válvula de control se base en cualquiera de estas dos condiciones, según la elección.