Consumo de Vapor de Tuberías y Calentadores de Aire

El vapor se condensará y cederá su entalpía de evaporación en las paredes de cualquier tubería o tubo a temperatura más baja. Generalmente no es posible ni necesario calcular el consumo de vapor exactamente. Este tutorial permite realizar estimaciones satisfactorias para la mayoría de los propósitos prácticos.

El vapor se condensará y cederá su entalpía de evaporación en las paredes de cualquier tubería o tubo expuesto al aire ambiente. En algunos casos, como líneas de vapor principales, la transferencia de calor se minimiza mediante el aislamiento de las tuberías. En otros casos como baterías de calentadores de aire, la transferencia de calor puede promoverse mediante el uso de aletas en el exterior de las tuberías. Generalmente no es posible ni necesario calcular el consumo de vapor exactamente. Los ejemplos en este Módulo permiten realizar estimaciones suficientes para la mayoría de los propósitos prácticos.

Líneas principales de vapor

En cualquier sistema de vapor, debe tenerse en cuenta la condensación del vapor causada por la tubería misma. La tasa de condensación será más alta durante el período de calentamiento, y es esto lo que debe gobernar el tamaño de las trampas de vapor usadas para el drenaje de líneas principales. Con la línea principal de vapor en uso, también habrá una pérdida de calor más pequeña (pero continua) desde la tubería. Ambos componentes pueden calcularse como la ‘carga de calentamiento’ y la ‘carga de operación’.

Carga de calentamiento

Inicialmente se requerirá calor para llevar la tubería fría a la temperatura de trabajo. Es una buena práctica hacer esto lentamente por razones de seguridad, las tuberías también se benefician de una reducción en la tensión térmica y mecánica. Esto resultará en menos fugas, menores costos de mantenimiento y una vida más larga para la tubería. El calentamiento lento puede lograrse instalando una pequeña válvula en paralelo con la válvula de aislamiento principal, (Figura 2.12.1). La válvula puede dimensionarse dependiendo del tiempo de calentamiento requerido. Automatizar la válvula de calentamiento para que se abra lentamente en tuberías grandes puede mejorar la seguridad. Una sola válvula de aislamiento principal puede usarse exitosamente, pero, como se dimensionará para pasar los requisitos de flujo de diseño de la tubería, estará sobredimensionada durante el período de calentamiento y por consiguiente operará muy cerca de su asiento durante este tiempo. Un separador colocado antes de la válvula asegurará que el vapor que pasa sea seco, protegiendo el obturador del desgaste prematuro. El tiempo que toma calentar cualquier línea principal de vapor debe ser tan largo como sea posible dentro de límites aceptables para minimizar la tensión mecánica de la tubería, optimizar la seguridad y reducir las cargas de arranque.

Si se pueden tomar 10 minutos en lugar de 5 minutos, el flujo inicial de vapor se reducirá a la mitad. Un tiempo de calentamiento de 20 minutos reducirá la carga de calentamiento aún más.

El flujo de vapor requerido para llevar un sistema de tuberías a la temperatura de operación es una función de la masa y capacidad calorífica del material, el aumento de temperatura, la entalpía de evaporación del vapor usado, y el tiempo permitido. Esto puede expresarse mediante la Ecuación 2.12.1:

Ejemplo 2.12.1 Pérdidas de calor de una línea de vapor

Un sistema consiste en 100 m de línea principal de acero al carbono de 100 mm, que incluye 9 pares de juntas de brida PN40, y una válvula de aislamiento. cp del acero = 0.49 kJ/kg °C La temperatura ambiente/de arranque es 20°C y la presión del vapor es 14.0 bar g, 198°C de tablas de vapor (consulte la Tabla 2.12.2).

Tabla 2.12.2 Extracto de tablas de vapor

Determine:

Parte 1. La tasa de condensación de calentamiento para un tiempo de calentamiento de 30 minutos.

Parte 2. La carga de operación si el grosor del aislamiento es 75 mm. Parte 1 Calcular la carga de calentamiento

Nota: Esta tasa de condensación se usará para seleccionar una válvula de control de calentamiento apropiada.

Al seleccionar trampas de vapor, esta tasa de condensación debe multiplicarse por un factor de dos para permitir la presión de vapor más baja que ocurrirá hasta que se complete el calentamiento, luego dividirse por el número de trampas instaladas para dar la capacidad requerida de cada trampa.

Tabla 2.12.3 Peso típico de tubería de acero, bridas y pernos, y válvulas de aislamiento en kg

Part 2 Carga de operación ****El vapor se condensará a medida que se pierde calor de la tubería al entorno: La tasa de condensación depende de los siguientes factores:

• La temperatura del vapor.
• La temperatura ambiente.
• La eficiencia del aislamiento. La Tabla 2.12.4 proporciona tasas de emisión de calor típicas esperadas de tuberías de acero sin aislar en aire en reposo a 20°C.

Tabla 2.12.4 Emisión de calor de tuberías de acero sin aislar expuestas libremente en aire a 20 °C (W/m)

Las líneas de distribución normalmente estarán aisladas, y es obviamente una ventaja si las bridas y otros elementos del equipo de la línea también están aislados. Si la línea principal tiene bridas, cada par de bridas tendrá aproximadamente la misma área superficial que 300 mm de tubería del mismo tamaño.

La tasa de transferencia de calor aumenta cuando una superficie de transferencia de calor está sujeta al movimiento del aire. En estos casos, los factores de multiplicación, como se muestra en la Tabla 2.12.5, deben considerarse. Si se instala tubería con aletas o corrugada, entonces siempre deben usarse las cifras del fabricante para la emisión de calor. En términos cotidianos, las velocidades del aire de hasta 4 o 5 m/s (aproximadamente 10 mph) representan una brisa suave, entre 5 y 10 m/s (aproximadamente 10 - 20 mph) una brisa fuerte. Las velocidades típicas en ductos de aire son alrededor de 3 m/s, en comparación.

Tabla 2.12.5 Aumento aproximado en emisión debido al movimiento del aire sobre tuberías con alta emisividad

Nota: Las cifras exactas son difíciles de determinar, ya que están involucrados muchos factores. Los factores en la Tabla 2.12.5 son derivados dan una indicación aproximada de cuánto deben multiplicarse las cifras en la Tabla 2.12.4. Las tuberías sujetas a movimiento de aire de hasta alrededor de 1 m/s pueden considerarse en aire en reposo, y las pérdidas de calor son bastante constantes hasta este punto. Como guía, las tuberías pintadas tendrán una alta emisividad, el acero oxidado una emisividad media, y el acero inoxidable pulido una baja emisividad. La reducción en las pérdidas de calor dependerá del tipo y grosor del material de aislamiento usado, y de su condición general. Para la mayoría de los propósitos prácticos, el aislamiento de líneas de vapor reducirá las emisiones de calor en la Tabla 2.12.4 por los factores de aislamiento (f) mostrados en la Tabla 2.12.6. Note que estos factores son solo valores nominales. Para cálculos específicos, consulte al fabricante del aislamiento.

Tabla 2.12.6 Factores de aislamiento ‘f’

La pérdida de calor de líneas principales aisladas puede expresarse como sigue en la Ecuación 2.12.2:

Determine la longitud, L: Asumiendo una asignación equivalente a 0.3 m por cada par de bridas, y 1.2 m por cada válvula de cierre, la longitud total efectiva (L) de la línea principal de vapor en este ejemplo es:

Determine la tasa de emisión de calor, Q̇: La temperatura del vapor a 14.0 bar manométrico es 198 °C y, con la temperatura ambiente de 20 °C, la diferencia de temperatura es 178 °C.

De la Tabla 2.12.4: Pérdida de calor para una tubería de 100 mm ≈ 1 374 W / m Determine el factor de aislamiento, f: El factor de aislamiento para 75 mm de aislamiento en tubería de 100 mm a 14 bar g (de la Tabla 2.12.6) es aproximadamente 0.07.

Como se puede ver de este ejemplo, la carga de calentamiento de 161 kg/h (consulte el Ejemplo 2.12.1, Parte 1) es sustancialmente mayor que la carga de operación de 18.3 kg/h, y, en general, las trampas de vapor dimensionadas con la función de calentamiento atenderán automáticamente la carga de operación.

Si la línea de vapor anterior no estuviera aislada o el aislamiento estuviera dañado, la carga de operación habría sido aproximadamente catorce veces mayor. Con una tubería sin aislar, o una tubería pobremente aislada, siempre compare las cargas de operación y calentamiento. La carga más alta debe usarse para dimensionar las trampas de vapor, como se describió anteriormente. Idealmente, la calidad del aislamiento debe mejorarse. Nota: Al calcular las pérdidas de calentamiento, es sensato considerar la especificación correcta de la tubería, ya que los pesos de las tuberías pueden variar entre diferentes estándares de tubería.

La densidad y capacidad calorífica del aire cambian ligeramente con la temperatura. Para la mayoría de los propósitos prácticos, al calentar aire para aplicaciones HVAC y de proceso con el enfoque mencionado a continuación, puede usarse una cifra nominal de 1.3 kJ/m³ °C para la capacidad calorífica y 1.3 kg/m3 para la densidad.

Tuberías de calentamiento de aire

Se requiere aire caliente para muchas aplicaciones incluyendo:

• Calefacción espacial.
• Ventilación.
• Aplicaciones de proceso.

El equipo requerido a menudo consiste en una matriz de tubos llenos de vapor, instalados a través de un flujo de aire. A medida que el aire pasa sobre los tubos, el calor se transfiere del vapor al aire. A menudo, para minimizar el tamaño y la masa del equipo, y permitir que se instale en espacios reducidos con obras de soporte reducidas, y para limitar el costo, la tasa de transferencia de calor de los tubos al aire se incrementa mediante la adición de aletas a la pared exterior del tubo.

Esto tiene el efecto de aumentar el área de transferencia de calor disponible, y por lo tanto reducir la cantidad de tubería requerida. La Figura 2.12.2 muestra un ejemplo de un tubo con aletas. Ampliamente, los calentadores de aire pueden dividirse en dos categorías:

• Calentadores unitarios.
• Baterías de calentadores de aire.

Calentadores unitarios

Estos consisten en una batería de calentador y ventilador en una carcasa compacta (Figura 2.12.3). El medio primario (vapor) se condensa en la batería de calentador, y el aire se calienta a medida que sopla a través de los serpentines y se descarga al espacio. Los calentadores unitarios pueden disponerse para tener ductos de entrada de aire fresco, pero más a menudo operan con aire recirculado.

El aire caliente puede descargarse verticalmente hacia abajo u horizontalmente. La presión de vapor, alturas de montaje, el tipo de descarga y temperaturas de salida están todos interrelacionados y deben consultarse los datos del fabricante antes de seleccionar el calentador unitario. La mayoría de las unidades están disponibles con ventiladores de baja, media o alta velocidad que afectan la salida nominal, y nuevamente deben consultarse los datos del fabricante, ya que los niveles de ruido en alta velocidad pueden ser inaceptables.

Baterías de calentadores de aire

Estas son realmente versiones más grandes y sofisticadas de calentadores unitarios, consulte la Figura 2.12.4. Están disponibles en muchas configuraciones incluyendo montaje en techo, o tipos horizontales, y un ventilador y filtro pueden también incorporarse. Generalmente se integran en un sistema de aire con ductos.

• Pueden proporcionarse persianas ajustables para ajustar la relación de aire fresco a recirculado.
• Pueden incorporarse varios bancos de calentadores para proporcionar protección contra heladas.

Los fabricantes de calentadores unitarios y baterías de calentadores de aire generalmente dan la salida de sus calentadores en kW a una presión de trabajo. De esto, la tasa de condensación puede calcularse dividiendo la salida de calor por la entalpía de evaporación del vapor a esta presión. La solución será en kg/s; multiplicando por 3 600 (segundos en una hora) se obtiene la solución en kg/h.

Así, un calentador unitario de 44 kW que funciona a 3.5 bar g (hfg = 2 120 kJ/kg de tablas de vapor) condensará:

Nota: La constante 3 600 se incluye en la fórmula para dar flujo en kg/h en lugar de kg/s. Si las cifras del fabricante no están disponibles pero se conocen las siguientes:

• El caudal volumétrico del aire que se está calentando.
• El aumento de temperatura del aire que se está calentando.
• La presión de vapor en el calentador. Entonces la tasa de condensación puede calcularse usando la Ecuación 2.12.3:

Nota: La constante 3 600 da la solución en kg/h en lugar de kg/s.

Las tuberías horizontales ensambladas en serpentines con varias filas de tubos una sobre otra, y que dependen de la convección natural, se vuelven menos efectivas a medida que aumenta el número de tubos. Al calcular la tasa de condensación para tales serpentines, las cifras dadas en la Tabla 2.12.5 deben multiplicarse por los factores de emisión en la Tabla 2.12.7. Las tuberías de calentamiento instaladas verticalmente también son menos efectivas que las tuberías horizontales. La tasa de condensación de tales tuberías puede determinarse multiplicando las cifras en la Tabla 2.12.4 por los factores en la Tabla 2.12.6. La Tabla 2.12.7 también puede usarse para encontrar la tasa de condensación en tuberías horizontales usadas para calentar aire en reposo. En este caso use la Ecuación 2.12.4:

Efectos del caudal de aire

Cuando se usa un ventilador para aumentar el flujo de aire sobre los serpentines de tubos, la tasa de condensación aumentará. Las cifras para emisión de calor de tuberías de acero desnudas (Tabla 2.12.4), pueden usarse cuando se multiplican de acuerdo con los factores en las Tablas 2.12.5, 2.12.7 y 2.12.8 donde corresponda. Si se consideran tuberías con aletas, entonces deben usarse las cifras del fabricante para emisión de calor en todos los casos.

Ejemplo 2.12.2 Calcular la carga de vapor en una batería de calentadores de aire

Una batería de calentadores de aire eleva la temperatura del aire fluyendo a 2.3 m³/s desde 18 °C a 82 °C (ΔT = 64 °C) con vapor a 3.0 bar g en los serpentines.