Consumo de Vapor de Elementos de Planta

El consumo de vapor de otros elementos comunes de planta, incluyendo baterías de calentadores, calentadores, cilindros de secado, prensas y líneas trazadoras.

Los ejemplos en las siguientes secciones dentro de este Módulo son una revisión de equipos mencionados previamente, e indican el consumo de vapor de otros elementos comunes de planta.

Baterías de calentadores​

La mayoría de los fabricantes de calentadores unitarios y baterías de calentadores de aire dan la salida de su equipo en kW. La tasa de condensación puede determinarse a partir de esto dividiendo la clasificación del equipo (en kW) por la entalpía de evaporación del vapor a la presión de operación (en kJ/kg) para dar un flujo de vapor en kg/s. Multiplicando el resultado por 3 600 se obtendrá kg/h. Si las cifras del fabricante no están disponibles, pero se conoce lo siguiente:

• El caudal volumétrico de aire.
• El aumento de temperatura.
• La presión del vapor. Entonces la tasa de condensación puede determinarse usando la Ecuación 2.12.3: Ejemplo 2.14.1 Un calentador de aire diseñado para elevar la temperatura del aire de -5 a 30 °C se instala en un ducto de 2 m x 2 m. La velocidad del aire en el ducto es 3 m/s, el vapor se suministra a la batería de calentadores a 3 bar g, y el calor específico del aire se toma como 1.3 kJ/m³ °C.

Calentadores de calefacción​

Al igual que los calentadores de aire, la mayoría de los fabricantes de calentadores generalmente proporcionan una clasificación para su equipo, y el consumo de vapor puede determinarse dividiendo la clasificación kW por la entalpía del vapor a la presión de operación para producir un resultado en kg/s (consulte la Ecuación 2.8.1). Sin embargo, los calentadores son frecuentemente demasiado grandes para los sistemas que atienden porque:

• Los cálculos iniciales de carga térmica en el edificio que atienden incluirán numerosos y excesivamente cautelosos factores de seguridad.
• El calentador mismo se habrá seleccionado de una gama estándar, por lo que se habrá seleccionado el primer tamaño superior a la carga calculada.
• El fabricante del calentador habrá incluido su propio factor de seguridad en el equipo. Una estimación de la carga real en cualquier momento puede obtenerse si se conocen las temperaturas de ida y retorno y la tasa de bombeo. Note sin embargo que la altura de presión en el lado de descarga afecta el rendimiento de la bomba, y esto puede o no ser constante. Ejemplo 2.14.2 4 l/s de agua caliente a baja temperatura (ida/retorno = 82/71 °C) se bombean a través de un sistema de calefacción. Determine la salida de calor:
• Salida de calor = Caudal de agua x calor específico del agua x cambio de temperatura
• Salida de calor = 4 l/s x 4.19 kJ/kg °C x (82 - 71 °C)
• Salida de calor = 184 kW Un método alternativo para estimar la carga en un calentador es considerar el edificio que se está calentando. Los cálculos de carga térmica pueden complicarse por factores que incluyen:
• Cambios de aire.
• Tasas de transferencia de calor a través de paredes, ventanas y techos. Sin embargo, puede obtenerse una estimación razonable tomando el volumen del edificio y permitiendo una capacidad de calentamiento de 30 W/m³. Esto dará la carga de operación para una temperatura interior de aproximadamente 20 °C cuando la temperatura exterior es de aproximadamente -1 °C. Temperaturas típicas de ida y retorno para:
• Sistemas de agua caliente a baja temperatura (LTHW) son 82 °C y 71 °C (ΔT = 11 °C).
• Sistemas de agua caliente a temperatura media (MTHW) son 94 °C y 72 °C (ΔT = 22 °C). Las cifras para sistemas de agua caliente a alta temperatura (HTHW) varían considerablemente, y deben verificarse para cada aplicación individual. Ejemplo 2.14.3 El flujo de vapor a un calentador se ha medido en 227 kg/h cuando la temperatura exterior es 7 °C y la temperatura interior es 18 °C. Si la temperatura exterior baja a -1 °C, y la temperatura interior es 19 °C, determine el flujo de vapor aproximado. Esto puede calcularse por proporcionalidad.

Calentadores de almacenamiento de agua caliente

Los calentadores de almacenamiento de agua caliente están diseñados para elevar la temperatura de todo su contenido desde frío hasta la temperatura de almacenamiento dentro de un período de tiempo especificado. Valores típicos en Reino Unido son:

• Temperatura del agua fría 10 °C
• Temperatura del agua caliente 60 °C Tiempo de calentamiento (también denominado ‘tiempo de recuperación’) = 1 hora. La masa de agua que se va a calentar puede determinarse del volumen del recipiente. (Para agua, densidad ρ = 1 000 kg/m³, y calor específico (cp) = 4.19 kJ/kg °C). Ejemplo 2.14.4 Un calentador con almacenamiento comprende un recipiente cilíndrico, de 1.5 m de diámetro y 2 m de alto. El contenido del recipiente se debe calentar a 60 °C en 1 hora.

La temperatura del agua entrante es 10 °C, y la presión del vapor es 7 bar g. Determine el flujo de vapor:

Cilindros de secado

Los cilindros de secado varían significativamente en diseño y aplicación y, consecuentemente, en consumo de vapor. Aparte de variaciones amplias en tamaño, presión de vapor, y velocidad de operación, los cilindros pueden drenarse a través del bastidor de las máquinas, como en las secadoras de cilindros textiles, o por medio de un sistema de purga en el caso de máquinas de papel de alta velocidad. A la inversa, las secadoras de película y las máquinas de papel de velocidad lenta pueden usar trampas de vapor individuales en cada cilindro. La demanda variará desde pequeñas pérdidas en espera de un cilindro secando hilo de algodón de tamaño mediano, hasta las cargas pesadas en el extremo húmedo de una máquina de papel o en una secadora de película. Debido a esto, las cifras precisas solo pueden obtenerse por medición. Sin embargo, se usan ciertas fórmulas confiables que permiten estimar el consumo de vapor dentro de límites razonables. En el caso de máquinas textiles de secado por cilindros, contar el número de cilindros y medir la circunferencia y ancho de cada uno conducirá al área de superficie de calentamiento total. Los dos extremos de cada cilindro deben incluirse y deben agregarse 0.75 m² por cilindro para cubrir cabezas de muñeco y bastidores excepto donde se usa trampa individual. La pérdida de radiación de la máquina, mientras está parada, medida en kg de vapor por hora, puede estimarse multiplicando el área total por un factor de 2.44. La carga de operación en kg por hora se obtendrá usando un factor de 8.3. (En unidades imperiales el área se medirá en pies cuadrados y los factores correspondientes serán 0.5 y 1.7 respectivamente). Esto se basa en una máquina secando piezas a una tasa de 64 a 73 metros por minuto, (70 a 80 yardas por minuto), pero haciendo asignaciones, puede usarse para máquinas que trabajan bajo condiciones diferentes. Los factores en la ecuación anterior son constantes derivadas empíricamente: 1.5 = Factor aplicado a cilindros secadores. 2 550 = Entalpía media del agua + entalpía de evaporación requerida para evaporar la humedad. 1.26 = Calor específico promedio del material. Los cilindros de secado tienden a tener una carga de arranque pesada debido al enorme volumen del espacio de vapor y la masa de metal que se debe calentar, y debe permitirse un factor de tres veces la carga de operación al dimensionar las trampas de vapor. También debe recordarse que el aire puede causar dificultades particulares, como tiempos de calentamiento prolongados y temperatura desigual de la superficie. Por lo tanto, debe hacerse una provisión especial para ventilar el aire de los cilindros.

Prensas

Las prensas, al igual que los cilindros de secado, vienen en todas las formas, tamaños y presiones de trabajo, y se usan para muchos propósitos, como moldear polvos plásticos, preparar laminados, producir llantas de automóviles (consulte la Figura 2.14.4), y fabricar madera contrachapada. A veces también incorporan un ciclo de enfriamiento. Claramente, sería difícil calcular las cargas de vapor con alguna precisión y la única forma de obtener resultados creíbles es por medición. Este tipo de equipo puede ser ‘abierto’, permitiendo una pérdida de radiación a la atmósfera, o ‘cerrado’, cuando las dos superficies de calentamiento están efectivamente aisladas entre sí por el producto. Aunque algo de calor es absorbido por el producto, el resultado neto es que el consumo de vapor es muy similar sin importar si la planta está trabajando o parada, aunque ocurrirán fluctuaciones durante la apertura y el cierre. El consumo de vapor a veces puede estimarse usando la ecuación básica de transferencia de calor 2.5.3: Los valores U mostrados en la Figura 2.9.1 a veces pueden usarse. Pueden dar resultados razonables en el caso de prensas de plato grandes pero son menos precisos cuando se consideran cantidades pequeñas de moldes de formas intrincadas, principalmente debido a la dificultad de estimar el área de superficie. Una característica de este tipo de planta es el pequeño espacio de vapor, y una carga de vapor relativamente alta al calentar desde frío. Para dar cuenta de esto y las fluctuaciones de carga, las trampas de vapor deben dimensionarse con un factor de 2 veces la carga de operación. El control de temperatura puede ser muy preciso usando válvulas reductoras de actuación directa pilotadas, dando una presión de vapor constante y consistente correspondiente a la temperatura de superficie requerida. Estas se dimensionan simplemente con la carga de vapor diseñada.

Líneas trazadoras

Las tuberías que transportan fluidos viscosos frecuentemente se mantienen a una temperatura elevada mediante trazadores de vapor. Estos generalmente consisten en una o más líneas de vapor de pequeño diámetro que corren junto a la línea de producto, todo cubierto con aislamiento. En teoría, el cálculo exacto del consumo de vapor es difícil, ya que depende de:

• El grado de contacto entre las dos líneas, y si se usan pastas conductoras de calor.
• La temperatura del producto.
• La longitud, temperatura y caída de presión a lo largo de las líneas trazadoras.
• La temperatura ambiente.
• La velocidad del viento.
• La emisividad del revestimiento. En la práctica, generalmente es seguro asumir que la línea trazadora simplemente reemplaza las pérdidas de radiación de la línea de producto misma. Sobre esta base, el consumo de vapor de la línea trazadora puede tomarse como una carga de operación igual a la pérdida de radiación de las líneas de producto. La Tabla 2.14.1 proporciona pérdidas de calor de tuberías aisladas con 50 o 100 mm de aislamiento. Ejemplo 2.14.5 Una tubería de 50 m de largo x 200 mm contiene un producto líquido a 120 °C. La temperatura ambiente es 20 °C, la tubería tiene 50 mm de aislamiento, y el vapor se suministra a 7 bar g a los trazador(es). Determine el consumo de vapor: Para líneas encamisadas, la pérdida de calor puede asumirse como la misma que la de una línea principal de vapor que tiene un diámetro igual al de la camisa; también teniendo en cuenta cualquier aislamiento. Al dimensionar las trampas de vapor, debe usarse un factor de 2 veces la carga de operación para cubrir las condiciones de arranque, pero cualquier válvula de control de temperatura puede dimensionarse para manejar solo la carga de diseño. Dimensionamiento de la línea trazadora El Ejemplo 2.14.5 calcula la carga del trazador de vapor sobre la base de la pérdida de calor de la tubería. En la práctica, la línea trazadora no se dimensionará exactamente para igualar esta pérdida de calor. La Tabla 2.14.2 muestra la salida de calor útil de líneas trazadoras de acero y cobre de 15 mm y 20 mm operando a diferentes presiones junto a líneas de producto a diferentes temperaturas. La Tabla tiene en cuenta las pérdidas de calor de las líneas trazadoras al aire circundante a través del aislamiento. En el Ejemplo 2.14.5, la pérdida de calor de la tubería fue 97 W/m. La línea trazadora debe ser capaz de proporcionar al menos esta tasa de transferencia de calor. La Tabla 2.14.2 muestra que, por interpolación, la salida de calor útil de una línea trazadora de acero de 15 mm es 33 W/m para una temperatura de producto de 120 °C y una presión de vapor de 5 bar g. El número de trazadores requeridos para mantener la temperatura del producto de 120 °C es por lo tanto: Por lo tanto, se requerirán tres líneas trazadoras de acero de 15 mm para esta aplicación como se muestra en la Figura 2.14.9.