Teoría de la purga de aire

El efecto del aire

Si el aire se mezcla con el vapor y fluye junto con él, bolsas de aire permanecerán en las superficies de intercambio de calor donde el vapor se condensa. Gradualmente, una capa delgada se acumula formando una manta aislante, dificultando la transferencia de calor como se muestra en la Figura 11.12.1. El aire se utiliza ampliamente como aislante debido a su baja conductividad (por ejemplo, el doble acristalamiento utilizado en ventanas modernas es simplemente dos capas de vidrio con una capa aislante de aire entre ellas). Del mismo modo, el aire se utiliza para reducir la pérdida de calor de las tuberías de vapor. La mayoría de los materiales aislantes están compuestos por millones de células microscópicas de aire, dentro de una matriz de fibra de vidrio, lana mineral o material de tipo polímero. El aire es el aislante y el material sólido simplemente lo mantiene en su posición. De manera similar, una película de aire en el lado del vapor de una superficie de transferencia de calor es resistente al flujo de calor, reduciendo la velocidad de transferencia de calor.

La conductividad térmica del aire es 0,025 W/m °C, mientras que la cifra correspondiente para el agua es típicamente 0,6 W/m °C, para el hierro es aproximadamente 75 W/m °C y para el cobre aproximadamente 390 W/m °C. Una película de aire de solo 1 mm de grosor ofrece aproximadamente la misma resistencia al flujo de calor que un muro de cobre de unos 15 metros de grosor. Es improbable que el aire exista como una película uniforme dentro del intercambiador de calor. Más probablemente, la concentración de aire es mayor cerca de la superficie de condensación, y menor más lejos. Sin embargo, es conveniente tratarlo como una capa homogénea al intentar mostrar su resistencia al flujo de calor. Cuando se añade aire al vapor, el contenido de calor de un volumen dado de la mezcla es menor que el mismo volumen de vapor puro, por lo que la temperatura de la mezcla se reduce. La ley de presiones parciales de Dalton establece que; ‘En una mezcla de vapor y aire, la presión total es la suma de las presiones parciales que cada gas ejercería, cuando ocupa el volumen total por sí solo’. Por ejemplo, si la presión total de una mezcla de vapor/aire a 2 bar (absoluto) está compuesta por 3 partes de vapor por 1 parte de aire en volumen, entonces: Presión parcial del aire = ¼ x 2 bar a = 0,5 bar a Presión parcial del vapor = ¾ x 2 bar a = 1,5 bar a Presión total de la mezcla = 0,5 + 1,5 bar a = 2 bar a (1 bar g) El manómetro indicaría una presión de 1 bar g, infiriendo una temperatura correspondiente de 120°C al observador. Sin embargo, la presión parcial debida a la cantidad de vapor presente en la mezcla es solo de 0,5 bar g (1,5 bar a), contribuyendo una temperatura de solo 112°C. Por lo tanto, la presencia de aire tiene un doble efecto:

• Ofrece una resistencia a la transferencia de calor a través de su efecto de estratificación.
• Reduce la temperatura del espacio de vapor, reduciendo así el gradiente de temperatura a través de la superficie de transferencia de calor. El efecto general es reducir la velocidad de transferencia de calor por debajo de lo que puede requerir un proceso crítico, y en los peores casos puede incluso impedir que se alcance una temperatura final requerida del proceso. En muchos procesos, se necesita una temperatura mínima para lograr un cambio químico o físico en un producto, al igual que una temperatura mínima es esencial en un esterilizador. La presencia de aire es particularmente problemática porque hará que un manómetro engañe. Se deduce que la temperatura no puede inferirse a partir de la presión.

Aire en el sistema

El aire está presente dentro de las tuberías y equipos de vapor en el arranque. Incluso si el sistema se llenara con vapor puro cuando se usa, el vapor condensado causaría un vacío y atraería aire hacia las tuberías en la parada.

El aire también puede entrar en el sistema disuelto en el agua de alimentación. A 80°C, el agua puede disolver aproximadamente el 0,6% de su volumen en aire. La solubilidad del oxígeno es aproximadamente el doble que la del nitrógeno, por lo que el ‘aire’ que se disuelve en el agua contiene casi una parte de oxígeno por dos de nitrógeno, en lugar de una parte por cuatro partes en el aire atmosférico. El dióxido de carbono tiene una solubilidad mayor, aproximadamente 30 veces mayor que el oxígeno.

El agua de alimentación de la caldera y el condensado expuesto a la atmósfera pueden absorber fácilmente estos gases. Cuando el agua se calienta en la caldera, los gases se liberan con el vapor y se transportan al sistema de distribución. A menos que el agua de ‘reposición’ de la caldera esté completamente desmineralizada y desgasificada, a menudo contendrá carbonato de sodio soluble del intercambio químico de los procesos de tratamiento de agua. El carbonato de sodio puede liberarse hasta cierto punto en la caldera y de nuevo se forma dióxido de carbono.

Con calderas de mayor presión, el agua de alimentación a menudo pasa por un desgasificador antes de ser bombeada a la caldera. Los mejores desgasificadores pueden reducir los niveles de oxígeno a 3 partes por millón (ppm) en el agua. Este oxígeno residual puede ser tratado mediante tratamiento químico. Sin embargo, tal cantidad de oxígeno estará acompañada de aproximadamente 6 ppm de nitrógeno, que el tratamiento químico ignora. Si la caldera es de tamaño moderado y produce 10.000 kg por hora de vapor, utiliza aproximadamente 10.000 litros por hora de agua, produciendo a su vez 60 cm³ de nitrógeno. Esto se acumulará con el tiempo con un efecto significativo en la transferencia de calor si no se elimina del sistema.

Los mejores tratamientos físicos y químicos todavía permitirán que algo de gas no condensable sin tratar salga de la caldera con el vapor. El aire, frecuentemente sospechoso, es más generalizado en los sistemas de vapor de lo que se cree y es causa tanto de limitación de rendimiento como de corrosión del equipo.

Señales de aire

1. Una caída gradual en la producción de cualquier equipo calentado por vapor.
2. Burbujas de aire en el condensado.
3. Corrosión. La eliminación del aire de los sistemas de vapor es primordial. Las siguientes páginas abordan el tema discutiendo la aplicación de purgas de aire.

Eliminación de aire

El medio más eficiente de purga de aire es con un dispositivo automático. El aire mezclado con vapor reduce la temperatura de la mezcla. Esto permite a un dispositivo termostático (basado en el principio de presión equilibrada o bimetálico) purgar el sistema de vapor. Una purga de aire instalada en el espacio de vapor de un recipiente (Figura 11.12.3) o al final de una línea principal de vapor (Figura 11.12.4) se abrirá cuando esté presente el aire. Para una eliminación máxima de aire, la descarga debe ser lo más libre posible. A menudo se instala una tubería para llevar la descarga a un lugar seguro, preferiblemente no a una línea de retorno de condensado, que podría restringir la liberación libre de aire y también favorecer la corrosión. Cuando una purga de aire se instala para hacer bypass a una trampa de vapor (Figura 11.12.5), actuará como una trampa de vapor después de que se purgue el aire, y puede de vez en cuando descargar condensado. En tales casos es necesario reconectar la purga de aire a la línea de condensado después de la trampa.

Si la línea de descarga de condensado de una trampa se eleva a un nivel alto, la línea inundada impone una contrapresión en la trampa y la purga de aire. La capacidad de la purga de aire para descargar aire se reduce, especialmente en el arranque. Esto se aplica igualmente cuando la purga de aire está incorporada dentro de una trampa de vapor. Cuando la forma del espacio de vapor de la aplicación y la ubicación de la entrada de vapor significan que la mayor parte del aire sale a través de la salida de condensado, es preferible que las líneas de descarga de la trampa de vapor y la purga de aire no se eleven a un nivel alto.

La ubicación de la purga de aire

Cuando un serpentín o un recipiente tiene una sección transversal relativamente pequeña, el vapor admitido en él actuará como un pistón, empujando el aire a un punto remoto de la entrada de vapor. Este ‘punto remoto’ suele ser la mejor ubicación para la purga de aire. En el caso de un consumidor de vapor de la forma mostrada en la Figura 11.12.6, parte del aire pasará a través de la salida de condensado, según la disposición prevista en la trampa, o en un bypass, para manejar el aire. El resto del aire podría acumularse como se indica, formando un punto frío en la superficie de calentamiento. La unidad no puede calentarse uniformemente, y puede causarse distorsión en algunos equipos, como las planchas de planchado de lavandería. Como una mezcla de aire/vapor es más densa que el vapor puro a la misma presión, generalmente es suficiente proporcionar capacidad de purga de aire dentro de la trampa de vapor de nivel bajo. Sin embargo, el modo de operación de la trampa significa que el condensado forma un sello de agua en la entrada de la trampa, a veces impidiendo que el aire llegue a la trampa. Puede haber necesidad de considerar una purga de aire automática conectada al espacio de vapor por encima del nivel de cualquier condensado. A menudo es conveniente y suficientemente efectivo conectarla a la parte superior del espacio de vapor, como en la Figura 11.12.6. Sin embargo, en el caso de dos espacios de vapor del mismo tamaño y forma pero con diferentes posiciones de entrada de vapor, la ubicación de la purga de aire podría ser diferente. En la Figura 11.12.7 y la Figura 11.12.8, el condensado drena desde la parte inferior del recipiente pero con la entrada de vapor inferior, en el arranque, el aire tendería a ser empujado hacia el punto remoto que está en la parte superior. Puede ser mejor ubicar una purga de aire en la parte superior, mientras que una trampa de vapor de flotador-termostático manejará cualquier aire residual que se haya acumulado en la parte inferior del recipiente.