Acumuladores de Vapor

Una visión completa de la necesidad de almacenamiento de vapor para satisfacer demandas de carga pico en industrias específicas, incluyendo el diseño, construcción y operación de un acumulador de vapor, con cálculos.

El propósito de un acumulador de vapor es liberar vapor cuando la demanda es mayor que la capacidad de la caldera para suministrar en ese momento, y aceptar vapor cuando la demanda es baja. Los acumuladores de vapor a veces se consideran reliquias de la ‘era del vapor’ con poca aplicación en la industria moderna.

Diseño de la caldera

Las calderas contemporáneas son significativamente más pequeñas que sus contrapartes de solo 30 años atrás. Esta reducción en el tamaño de la caldera ha sido impulsada por los usuarios, que exigen que las calderas sean:

• Más eficientes en términos de entrada de combustible a salida de vapor.
• Más receptivas a cambios en la demanda.
• Más pequeñas, y por lo tanto ocupan menos espacio de piso.
• Más baratas de comprar e instalar. Estos objetivos se han cumplido en parte por los controles/quemadores más sofisticados de hoy que responden más rápida y precisamente a cambios en la demanda que los de años pasados. Sin embargo, la respuesta de una caldera a cambios en la demanda también está afectada por las leyes de la naturaleza, por ejemplo: cuánta agua debe calentarse y el área de transferencia de calor disponible para transferir ese calor desde la llama del quemador al agua. Los tiempos de respuesta han mejorado reduciendo físicamente las dimensiones externas de la caldera para cualquier producción dada, y llenando el interior de tubos para aumentar el área de transferencia de calor. Esto significa que la caldera moderna contiene menos agua, y el área de transferencia de calor por kg de agua es mayor. Considere la situación de hoy:

1. La demanda de vapor de la planta aumenta, y la presión en la caldera cae al punto de ajuste del control del quemador.
2. El control del quemador purga la cámara de combustión, y el quemador se enciende.
3. La gran área de transferencia de calor y la menor masa de agua se combinan para evaporar rápidamente el agua en la caldera para satisfacer la demanda de vapor. Como se cubrió en el Módulo 3.7, ‘Accesorios y Montajes de la Caldera’, la energía almacenada en una caldera está contenida en el agua que se mantiene a temperatura de saturación. Cuanto mayor sea la cantidad de agua dentro de una caldera, mayor será la cantidad de energía almacenada para lidiar con cambios en la demanda/carga. La Tabla 3.22.1 compara una antigua caldera Lancashire de la década de 1950 con una caldera empaquetada moderna. Note que la caldera empaquetada moderna contiene solo el 20% del agua contenida en una caldera Lancashire de capacidad similar. Se deduce de esto que la reserva de energía contenida en la caldera empaquetada moderna es solo el 20% de la caldera Lancashire. Esto sugiere que la caldera empaquetada moderna no puede lidiar con las demandas pico de la manera en que una antigua caldera Lancashire podía. También note de la Tabla 3.22.1, que la ‘tasa de liberación de vapor’ de la superficie del agua dentro de la caldera empaquetada moderna ha aumentado por un factor de 2,7. Esto significa que el vapor tiene solo 1/2,7 (40%) del tiempo disponible en una caldera Lancashire para separarse del agua. En tiempos de demanda pico esto puede significar que se está exportando vapor húmedo de la caldera empaquetada moderna, y posiblemente a una presión menor que aquella para la que fue diseñada para operar - Cubierto en el Módulo 3.12 ‘Control de TDS en el Agua de la Caldera’. El agua que se arrastra con el vapor estará sucia (aproximadamente 3 000 ppm TDS), y contaminará las válvulas de control y las superficies de transferencia de calor. Puede incluso bloquear algunos de los orificios más pequeños en dispositivos de detección de presión, trampas de vapor, etc. Nota: La información para crear la Tabla 3.22.1 fue suministrada por Thermsave. Las unidades imperiales también se muestran en la Tabla para proporcionar una visión de los factores aplicados en el diseño de calderas en el pasado.

Demandas pico

Las demandas de vapor en cualquier planta de proceso rara vez son constantes, pero el tamaño y tipo de las fluctuaciones dependen de la aplicación y la industria. Los picos pueden ocurrir una vez por semana o incluso una vez por día durante el arranque. Los mayores problemas causados por las demandas pico están generalmente asociados con industrias de procesamiento por lotes:

• Cervecería.
• Textiles.
• Tintorería.
• Enlatado.
• Fabricantes de bloques de hormigón ligero.
• Áreas especializadas de la industria siderúrgica.
• Industrias del caucho con grandes autoclaves. Para estos procesos los picos pueden ser pesados y de largo plazo, y medidos en fracciones de hora. Alternativamente, los ciclos de carga pueden consistir en picos frecuentes a corto plazo de corta duración pero tasa de flujo instantáneo muy alta:
• Acabado de calcetería.
• Caucho.
• Moldeo de plástico y poliestireno.
• Pelado con vapor.
• Esterilización hospitalaria e industrial. La Figura 3.22.1, muestra que en cada caso las demandas son casi instantáneas y los picos están muy por encima de la carga promedio. El resultado de una demanda repentina en la planta de calderas es una caída de presión en la caldera, porque la caldera y su equipo de combustión asociado son incapaces de generar vapor a la tasa a la que se está extrayendo. Las demandas pico y las caídas de presión subsiguientes pueden tener consecuencias bastante serias en la producción de fábrica. En el peor caso, el resultado es un ‘bloqueo’ de la caldera, debido a la elevación del nivel de agua causada por la ebullición rápida, seguida por su colapso. Esto es visto como una alarma de nivel bajo por los controles de nivel. En el mejor caso, el vapor producido es húmedo y contaminado. Esto, junto con una reducción de presión, puede llevar a:
• Tiempos de proceso aumentados.
• Una reducción en la calidad del producto o incluso daño o pérdida del producto.
• Golpe de ariete en los colectores de vapor causando daño a tuberías y accesorios, y posible peligro al personal. Para la planta de calderas, las demandas pico son responsables de:
• Un mayor nivel de mantenimiento.
• Vida reducida de la caldera.
• Eficiencia de combustible reducida. Esto se debe a que el equipo de combustión está continuamente ciclando de fuego bajo a alto, e incluso apagándose durante períodos de demanda muy baja, solo para disparar nuevamente unos minutos después, con todos los efectos de enfriamiento de purga pre y post. Se pueden usar múltiples calderas o sobredimensionadas en un esfuerzo por lidiar con las demandas pico (y las subsiguientes caídas en la demanda) que inevitablemente resultan en bajas eficiencias. Para ilustrar este punto, se puede asumir que:
• Para una caldera de vapor promedio, menos del 1% de las pérdidas se deben al calor radiado desde la carcasa de la caldera (por ejemplo: 1% de la Capacidad Máxima Continua (MCR) de la caldera).
• Si una caldera está produciendo el 50% de su MCR, las pérdidas por radiación son del 2% relativas a su tasa de producción.
• Si una caldera está produciendo el 25% de su MCR, las pérdidas son del 4% de su tasa de producción. Y así sucesivamente, hasta que una caldera simplemente se mantiene a una presión sin exportar vapor a la fábrica. En este punto, el 1% de su MCR es una pérdida del 100% relativa a su tasa de producción de vapor. Si la planta de calderas se dimensiona para cargas pico, surgen problemas debido al sobredimensionamiento relativo a la demanda promedio. En la práctica, una caldera puede apagarse durante un período de baja demanda. Si esto es seguido por una repentina demanda y la caldera no está disparando, puede surgir una situación de alarma. Sonarán alarmas, la caldera puede bloquearse y la recuperación del vapor será lenta y ardua. En resumen, los picos son responsables de:
• Pérdida de producción.
• Calidad de producto reducida.
• Tiempos de producción aumentados.
• Vapor de baja calidad de la caldera.
• Baja eficiencia de combustible.
• Altos costos de mantenimiento.
• Vida reducida de la caldera.

Técnicas de nivelación de carga

Las calderas modernas son muy eficientes cuando están correctamente cargadas y responden rápidamente a aumentos de carga, siempre que la caldera esté disparando. Sin embargo, las calderas de carcasa convencionales generalmente no pueden satisfacer grandes demandas pico de manera satisfactoria y deben protegerse de grandes cargas fluctuantes. Se usan varios métodos en un intento de crear un patrón de carga estable para proteger la planta de calderas de los efectos de grandes cargas fluctuantes.

Métodos de ingeniería:

Las válvulas de mantenimiento de presión (también llamadas válvulas de excedente) pueden usarse como dispositivos de deslastre de carga aislando partes no esenciales de la planta y dando prioridad a la planta esencial, una disposición típica se muestra en la Figura 3.22.2. El éxito de este método depende nuevamente de la severidad de los picos y la suposición de que la caldera está disparando cuando se desarrolla el pico. Las válvulas de excedente también pueden instalarse directamente en la caldera o en el colector principal de vapor a la fábrica, como se muestra en la Figura 3.22.3. La presión de ajuste debe ser:

• Menor que la presión de control de ‘fuego alto’, para prevenir cualquier interferencia del control de excedente con los controles del quemador.
• Suficientemente alta para mantener la presión en la caldera a un nivel seguro. En términos de dimensionar la válvula de excedente, el requisito es una caída de presión mínima. Como indicación general, se debe considerar una válvula de tamaño de línea. Control de nivel de agua de dos elementos o tres elementos. Estos pueden ser exitosos mientras que los picos no sean violentos y la caldera esté disparando cuando se desarrolla el pico; la caldera también debe tener capacidad suficiente. El control de dos elementos usa entradas de los controles de nivel de agua de la caldera y la tasa de flujo de vapor para posicionar la válvula de control de agua de alimentación. El control de tres elementos usa los dos elementos anteriores más una entrada de un dispositivo de medición de flujo de agua de alimentación para controlar el flujo entrante de agua de alimentación, en lugar de solo la posición de la válvula de control de agua de alimentación. (Este tercer elemento es solo apropiado en calderas que usan control de nivel de modulación en salas de calderas con un anillo principal de agua de alimentación). Ejemplo 3.22.1 Una caldera tiene una capacidad de 5 000 kg/h ‘Desde y A’ Los ajustes de presión de fuego alto/bajo son 11,3/12,0 bar g respectivamente (12,3/13,0 bar a). El ajuste de la válvula de excedente es 11,0 bar g (12,0 bar a).

1. Basado en una velocidad de aproximadamente 25 m/s, se seleccionaría un colector principal de vapor de 100 mm.
2. Kvs de una válvula de control de excedente DN100 estándar es 160 m³/h
3. Usando la siguiente ecuación de flujo másico para vapor saturado se puede calcular la presión aguas abajo de la válvula de excedente (P2): En este ejemplo, a fuego bajo, la presión de la caldera se da como 12 bar g (13 bar a). Se puede calcular de la Ecuación 3.21.2 que la presión después de la válvula de excedente completamente abierta es 11,89 bar g (12,89 bar a). En consecuencia, la caída de presión es pequeña (0,11 bar) y no sería significativa en operación normal. Sin embargo, si la presión cae a 11,0 bar g, la válvula de excedente comenzará a cerrarse para mantener la presión aguas arriba. La banda proporcional en el controlador debe ajustarse lo más estrecha posible sin hacer que la válvula ‘oscile’ alrededor del punto de ajuste. Ambos métodos de aplicar válvulas de mantenimiento de presión pueden proporcionar protección a la planta de calderas, pero no superarán el requisito fundamental de más vapor para el proceso.

Métodos de gestión

Estos incluyen, por ejemplo, arranques escalonados en procesos para mantener las cargas pico lo más bajas posible. Este método de suavizar los picos puede ser beneficioso para la planta de calderas pero puede ser perjudicial y restrictivo para la producción, teniendo mucho el mismo efecto que la válvula de mantenimiento de presión. Sin embargo, es imposible suavizar los picos a corto plazo usando solo métodos de gestión. En una fábrica donde hay muchos procesos individuales imponiendo tales picos, es posible que esto tenga un efecto nivelador en la carga, pero igualmente, es también posible que los muchos procesos individuales piquen simultáneamente, con efectos desastrosos. Si los métodos anteriores no proporcionan la estabilidad de demanda requerida, puede ser el momento de considerar un medio de almacenar vapor.

El acumulador de vapor

El medio más apropiado de proporcionar vapor limpio y seco instantáneamente, para satisfacer una demanda pico es usar un método de almacenar vapor para que pueda ser ‘liberado’ cuando se necesite. Almacenar vapor como gas bajo presión no es práctico debido al enorme volumen de almacenamiento requerido a presiones normales de caldera. Esto se explica mejor en un ejemplo: En el ejemplo usado posteriormente en este Módulo, se usa un recipiente con un volumen de 52,4 m³.

• Presión de carga es 10 bar g (volumen específico = 0,177 m³/kg).
• Presión de descarga es 5 bar g (volumen específico = 0,315 m³/kg). Basado en estos parámetros, la energía almacenada resultante y lista para liberación instantánea a la planta está contenida en 130 kg de vapor. Esto equivale solo al 5,2% de la energía almacenada y lista para uso, comparada con un acumulador lleno de agua. En la práctica hay dos formas de generar vapor:
• Añadiendo calor al agua hirviendo, indirectamente a través de un tubo de combustión y quemador, como en una caldera convencional.
• Reduciendo la presión sobre el agua almacenada a su temperatura de saturación. Esto resulta en un exceso de energía en el agua, que causa que una proporción del agua cambie a vapor. Este fenómeno se conoce como ‘destello’, y el equipo usado para almacenar el agua presurizada se llama acumulador de vapor. En principio, hay dos tipos de sistemas disponibles para almacenamiento de vapor; el acumulador de caída de presión y el acumulador de presión constante. Este módulo solo considera el primer tipo. Un acumulador de vapor es, esencialmente, una extensión de la capacidad de almacenamiento de energía de la(s) caldera(s). Cuando la demanda de vapor de la planta es baja, y la caldera es capaz de generar más vapor del requerido, el vapor excedente se inyecta en una masa de agua almacenada bajo presión. A lo largo de un período de tiempo, el contenido de agua almacenada aumentará en temperatura y presión hasta que finalmente alcance la temperatura de saturación para la presión a la que opera la caldera. La demanda excederá la capacidad de la caldera cuando:
• Una carga se aplica más rápido que la capacidad de la caldera para responder - por ejemplo, el(los) quemador(es) pueden extinguirse y debe completarse un ciclo de purga antes de que el quemador pueda encenderse de manera segura. Esto puede tomar hasta 5 minutos, y en lugar de añadir calor a la caldera, el ciclo de purga en realidad tendrá un ligero efecto de enfriamiento en el agua de la caldera. Súmese a esto el hecho de que el destello del agua de la caldera causará una caída en el nivel de agua, y el sistema de control de nivel de la caldera compensará automáticamente trayendo agua de alimentación a, por ejemplo, 90°C. Esto tendrá un efecto de temple en el agua ya a temperatura de saturación, y agravará la situación.
• Una demanda pesada ocurre durante un período más largo de lo normal. En cualquier caso, el resultado es una caída de presión dentro del acumulador de vapor, y como resultado de esto algo del agua caliente se destellará a vapor. La tasa a la que el agua se destella a vapor es una función de la presión de almacenamiento, y la tasa a la que el vapor es requerido por el sistema que se está suministrando. Carga El acumulador de vapor de caída de presión consiste en un recipiente a presión cilíndrico parcialmente lleno de agua, en un punto entre 50% y 90% lleno dependiendo de la aplicación. El vapor se carga debajo de la superficie del agua por un colector de distribución, que se equipa con una serie de inyectores de vapor, hasta que todo el contenido de agua esté a la presión y temperatura requeridas. Es natural que el nivel de agua suba y baje durante la carga y descarga. Si el acumulador de vapor se carga usando vapor saturado (o húmedo), puede haber una pequeña ganancia de agua debido a las pérdidas por radiación del recipiente. Normalmente, se descarga una masa de vapor ligeramente mayor que la admitida. Una trampa de vapor (tipo flotador) se instala en el nivel de trabajo y actúa como un limitador de nivel, descargando la pequeña cantidad de agua excedente al sistema de retorno de condensado. Sin embargo, si el acumulador de vapor se cargara usando vapor sobrecalentado, o si las pérdidas por radiación son muy pequeñas, habría una pérdida gradual de agua debido a evaporación, y se requeriría una válvula de alimentación o bomba, bajo el control de sondas de nivel, para compensar el déficit. Descarga A medida que ocurre una caída de presión en un acumulador de vapor con el agua almacenada a temperatura de saturación, se generará vapor destellado a la tasa demandada por cualquier carga por encima de la capacidad de la caldera; en consecuencia se satisfará la condición de sobrecarga. Cuando la sobrecarga es seguida por una demanda por debajo de la capacidad de la caldera, el acumulador de vapor se carga usando vapor excedente de la caldera. Este ciclo de carga y descarga explica el nombre ‘acumulador de vapor’ y continuamente permite a la caldera disparar hasta su capacidad máxima continua. El ciclo de carga/descarga El acumulador necesita estar completamente cargado al inicio de su período de descarga, para operar correctamente. Para permitir esto, deben satisfacerse dos eventos principales:

1. Debe haber suficiente tiempo disponible desde el final de un período de sobrecarga hasta el inicio del siguiente, para recargar el agua almacenada en el acumulador.
2. La demanda promedio fuera de carga debe ser menor que la capacidad de la caldera (la capacidad máxima continua o MCR), de manera que haya suficiente capacidad excedente de caldera disponible para recargar el agua almacenada en el acumulador durante tiempos fuera de pico. Otros criterios también son importantes para asegurar que el acumulador tenga suficiente capacidad, y estos deben satisfacerse por el diseño:
3. Debe almacenarse suficiente agua para proporcionar la cantidad requerida de vapor destellado durante el período de descarga. Esto puede satisfacerse asegurando que el volumen del acumulador sea lo suficientemente grande.
4. Mayores tasas de liberación de vapor producirán vapor húmedo. La velocidad y el caudal a los que el vapor destellado se libera de la superficie del agua deben estar por debajo de un valor predeterminado. Esto puede satisfacerse asegurando que el área de superficie de agua sea lo suficientemente grande, que, a su vez, depende del tamaño del acumulador.
5. La capacidad de evaporación debe ser suficiente. Esto depende de la presión a la que el agua se almacena cuando está completamente cargada (la presión de la caldera) y la presión mínima a la que el acumulador operará al final del período de descarga (la presión de diseño del acumulador). Cuanto mayor sea el diferencial entre estas dos presiones, más vapor destellado se producirá.
6. La presión de diseño del acumulador debe ser mayor que la presión de distribución aguas abajo. Esto es necesario para crear un diferencial de presión a través de la válvula reductora de presión (PRV) aguas abajo, para permitir el flujo requerido del acumulador a la planta. Cuanto más cerca esté la presión del acumulador a la presión de distribución, más pequeño será el acumulador pero esto también da un menor diferencial de presión a través de la PRV. Esto requiere una PRV más grande; lo suficientemente grande para pasar la mayor demanda de sobrecarga cuando el acumulador está a su presión de diseño (la presión mínima en el acumulador al final del período de descarga).

Dimensionamiento de un acumulador de vapor

Un acumulador de vapor en el sistema de vapor da una capacidad de almacenamiento aumentada. El diseño adecuado del acumulador de vapor asegura que cualquier caudal pueda ser atendido. No hay límites teóricos al tamaño de un acumulador de vapor, pero por supuesto las consideraciones prácticas impondrán restricciones. En la práctica, el volumen del acumulador de vapor se basa en el almacenamiento requerido para satisfacer una demanda pico, con una caída de presión permisible, mientras aún se suministra vapor limpio y seco a una velocidad de liberación de vapor adecuada de la superficie del agua. El Ejemplo 3.22.2 a continuación, se usa para calcular el potencial de capacidad de vapor en un acumulador de vapor horizontal. Ejemplo 3.22.2 Caldera: Capacidad máxima continua = 5 000 kg/h Presión de trabajo normal = 10 bar g (hf = 781 kJ/kg, de las tablas de vapor) Diferencial de conmutación del quemador = 1 bar (0,5 bar a cada lado de 10 bar g) Requisitos de la planta: Sobrecarga instantánea máxima = 12 000 kg/h Presión de distribución = 5 bar g Aunque la sobrecarga instantánea máxima es 12 000 kg/h, el valor medio de la sobrecarga debe usarse para dimensionar el acumulador. Esto previene el sobredimensionamiento innecesario del acumulador. Igualmente, es necesario determinar y usar la carga promedio ‘fuera de pico’ en el cálculo de dimensionamiento. La carga fuera de pico es cualquier carga por debajo de la MCR de la caldera. Encontrar el valor medio de la sobrecarga y carga fuera de pico Hay tres métodos posibles para establecer las cargas medias para plantas de calderas existentes:

1. Estimar, basado en experiencia.
2. Interrogar los registros de salida de vapor de la caldera existente para establecer las cargas medias y los períodos de tiempo sobre los que ocurren.
3. Programar el computador de un medidor de vapor para integrar la carga de vapor sobre los períodos de sobrecarga y carga fuera de pico. El Método 1 podría resultar ser bastante imprudente, si un acumulador caro terminara demasiado pequeño.

Sin embargo, si la planta de calderas todavía está en la etapa de diseño, una estimación educada será la única opción. Del conocimiento del diseñador de la instalación, debería ser posible dar una estimación razonable de la carga máxima de la planta, la diversidad de carga, y los tiempos sobre los que ocurren.

El Método 2 es bastante fácil de ejecutar, y debería dar un resultado razonablemente preciso.

El Método 3 proporcionaría los resultados más precisos, y el costo del medidor de vapor es pequeño relativo al costo total de un proyecto de acumulador.

El siguiente procedimiento muestra cómo determinar las cargas medias de vapor de un registro gráfico existente que registra el patrón de carga. El procedimiento se construye a partir de la Figura 3.22.4, que muestra el patrón de flujo para el Ejemplo 3.22.2.

Controles y accesorios del acumulador de vapor

Lo siguiente es una revisión del equipo requerido para una instalación de acumulador de vapor, junto con alguna guía sobre dimensionamiento y selección del equipo apropiado. Usando cifras del Ejemplo 3.22.2: Caldera: Capacidad máxima continua = 5 000 kg/h Presión de trabajo normal = 10 bar g Acumulador: Masa de agua requerida para almacenamiento de vapor = 65 920 kg (completamente cargado y 90% del volumen del recipiente) P1 (presión de la caldera) = 10 bar g (completamente cargado) P2 (presión de descarga) = 6 bar g (completamente descargado) Requisitos de la planta: Presión = 5 bar g Mayor sobrecarga media = 10 300 kg/h por 30 minutos cada 95 minutos, de los cuales, 5 000 kg/h es suministrado por la caldera. De estas cifras se puede deducir que 65 920 kg de agua deben calentarse desde la temperatura de saturación a 6 bar g hasta la temperatura de saturación a 10 bar g en 95 minutos. Tuberías Las tuberías entre la caldera y el acumulador de vapor deben dimensionarse, según la práctica normal, en una velocidad de vapor de 25 a 30 m/s y la producción máxima de la caldera. En el caso del Ejemplo 3.22.2, esto requeriría una tubería DN100 desde la caldera hasta el acumulador, para transportar la Capacidad Máxima Continua (MCR) de la caldera de 5 000 kg/h @ 10 bar g. Las tuberías desde el acumulador hasta la PRV aguas abajo deben dimensionarse en la sobrecarga instantánea máxima y una velocidad no mayor de 20 m/s. Esto requeriría una tubería de diámetro nominal DN250 para este ejemplo, con una presión de diseño del acumulador de 6 bar g. Válvula de cierre Se requiere una válvula de cierre de tamaño de línea además de la válvula corona de la caldera. Una válvula de cierre adecuadamente clasificada, preferiblemente en acero fundido, sería apropiada. Válvula de retención o check Se requiere una válvula de retención de tamaño de línea para prevenir el flujo inverso del vapor de vuelta a la caldera en caso de que la caldera sea deliberadamente apagada, o quizás, la caldera se bloquee. Una válvula de retención de disco sería una elección apropiada. Válvula de excedente La válvula de excedente es esencial para asegurar que la tasa a la que el vapor fluye desde la caldera al acumulador esté dentro de la capacidad de la caldera. El Ejemplo 3.22.1 muestra cómo se dimensionaría la válvula. Se pueden usar válvulas de excedente autoactuadas operadas por piloto en instalaciones más pequeñas, siempre que la banda proporcional estrecha (y no ajustable) sea aceptable. Un controlador neumático y válvula de control es más apropiado para instalaciones más grandes, y ofrece la ventaja de una banda proporcional ajustable. Para esta aplicación se seleccionaría una válvula de control de operación neumática DN100 con capacidad de operación y cierre apropiada.

Equipo de inyección de vapor

Una tubería de entrada de vapor debidamente dimensionada debe alimentar muy por debajo del nivel de superficie del agua y a un sistema de colector/manifold de distribución de vapor como el mostrado en la Figura 3.22.6. El vapor se inyecta en el agua. Es importante recordar que la capacidad del inyector se reducirá a medida que la presión en el recipiente aumente, ya que la diferencia de presión entre el vapor inyectado y la presión del recipiente se reduce. A caudales muy bajos, el vapor tenderá a salir de los inyectores más cercanos a la tubería(s) de entrada de vapor. El diseño de la tubería(s) de entrada y el sistema de colector, junto con la ubicación de los inyectores, debe proporcionar una inyección uniforme de vapor a lo largo de la longitud del acumulador independientemente del caudal real de vapor. La descarga de los inyectores será agua muy caliente y vapor, posiblemente con algunas burbujas de vapor condensándose, a muy alta velocidad, promoviendo turbulencia y mezcla en la masa de agua. No deben descargar directamente contra, o cerca de, las paredes del recipiente. Por lo tanto, la instalación en ángulo puede ser aconsejable. Idealmente, también deben estar en ángulos en diferentes direcciones para asistir con una distribución más uniforme. Una disposición nominal se muestra en la Figura 3.22.6. En recipientes muy largos, se puede lograr una distribución más regular si se usan dos o más tuberías de entrada. En tales casos, es muy importante que las tuberías de entrada estén cuidadosamente colectadas juntas desde el colector principal de suministro. Todos los inyectores deben instalarse lo más bajo posible en el acumulador para asegurar la máxima carga líquida posible sobre ellos. También puede ser apropiado instalar los inyectores en un ligero ángulo para evitar la erosión del recipiente. Las tablas de dimensionamiento de los fabricantes darán el valor Kvs de los inyectores de vapor (véase la Tabla 3.22.2) Usando los datos de la Tabla 3.22.2 y refiriéndose a la Figura 3.22.8, un extracto del gráfico de dimensionamiento de vapor saturado Figura 3.22.9:

1. Dibuje una línea horizontalmente a la derecha desde el eje ‘x’ a 11 bar a (10 bar g) hasta que interseque la línea de caída de presión crítica, punto (A).
2. Dibuje una línea verticalmente hacia abajo desde el punto (A) hasta que interseque el valor Kvs del inyector, punto (B), (Por ejemplo Kvs 5,8 para un inyector IM25M).
3. Dibuje una línea horizontalmente a la izquierda, hasta que interseque el eje ‘y’, punto (C). El valor mostrado será la capacidad del inyector. (Aproximadamente 760 kg/h para este ejemplo).

Dimensionamiento y cuantificación de los inyectores

El ejercicio anterior da una capacidad de 760 kg/h para un inyector; pero esto solo se relaciona con el inicio del período de carga, cuando la presión del recipiente está en su nivel más bajo, y la capacidad del inyector es la más alta. Debe recordarse que, a medida que se inyecta más vapor en el recipiente, la presión del recipiente subirá, efectivamente reduciendo las capacidades de los inyectores, hasta que la presión del recipiente eventualmente se iguale con la presión de la caldera, y no pueda ocurrir flujo. Debido a esto, no es práctico usar la una (más alta) tasa de flujo, 760 kg/h en este ejemplo. En su lugar, es necesario encontrar la tasa de inyección media sobre el período de carga. Esto puede hacerse usando la Ecuación 3.21.2 para calcular el flujo a diferentes presiones del recipiente. En este ejemplo, la presión del recipiente variará entre 6 bar g y 10 bar g. Cuanto mayor sea el número de presiones tomadas, mayor será la precisión pero, en general, tomar incrementos del 10% de la diferencia entre la presión de la caldera y la presión de acumulación dará un valor medio confiable. La Tabla 3.22.3 muestra los cálculos para un inyector IN25 (1”) con un Kv de 5,8. El flujo total de 6 076 kg/h se divide por el número de entradas. debe recordarse incluir la entrada cero también; por lo tanto hay once entradas a considerar. Se puede ver que el caudal medio de 553 kg/h es algo menor que la capacidad máxima de 759 kg/h. Si se usara la capacidad máxima para cuantificar el número de inyectores, entonces no se elegirían suficientes inyectores. El número de inyectores requeridos puede determinarse dividiendo el flujo de vapor por la cantidad que un solo inyector puede suministrar. Nota: Un número de inyectores más pequeños sería preferible a un inyector grande para asegurar una mezcla adecuada dentro del acumulador de vapor. Este gráfico de dimensionamiento es empírico y no debe usarse para aplicaciones críticas.

Cálculo del tiempo requerido para recargar el recipiente

De los patrones de carga mostrados en la Figura 3.22.4, se ha mostrado que el tiempo mínimo entre ciclos de carga es 95 minutos. Ahora es necesario verificar que el recipiente pueda recargarse en menos tiempo que este. Se ha mostrado que la cantidad de vapor usada durante el período de descarga es 2 650 kg. El flujo excedente medio de vapor disponible durante el período de recarga se ha calculado de la Figura 3.22.4 como 2 916 kg/h. El tiempo requerido para la recarga es proporcional a la relación de la masa de vapor usada durante la descarga a la tasa de vapor excedente fluyendo en el período fuera de pico: Como el tiempo de recarga requerido es menor que el tiempo entre el ciclo de sobrecarga más corto de 95 minutos, el balance entre el tiempo de sobrecarga y el tiempo de recarga puede ser satisfecho por el acumulador.

Por lo tanto, el tamaño del acumulador de 7 metros de largo por 4 metros de diámetro proporciona suficiente capacidad para este ejemplo particular.

Manómetro

Se requiere un manómetro debidamente calibrado para mostrar la presión dentro del acumulador de vapor. Idealmente debe estar marcado para mostrar:

• Presión mínima (presión de vapor de la planta).
• Presión máxima (presión de vapor de la caldera).
• Presión de trabajo máxima del recipiente.

Válvula de seguridad

Si la presión de trabajo máxima del acumulador es igual o mayor que la de la caldera, entonces puede no requerirse(n) válvula(s) de seguridad. Sin embargo, el usuario puede estar preocupado por otros escenarios menos obvios. Por ejemplo, en caso de un incendio en la planta, si el acumulador estuviera completamente cargado y todas las entradas y salidas estuvieran cerradas, la presión en el acumulador podría subir. Una discusión con el inspector de seguros sería esencial antes de tomar una decisión. Como con todas las instalaciones de válvulas de seguridad, la descarga debe ser a un área segura a través de una tubería de ventilación debidamente dimensionada, que esté adecuadamente drenada.

Purgador de aire y rompedor de vacío

Cuando el acumulador de vapor arranca desde frío, el espacio de vapor está lleno de aire. Este aire no tiene valor calórico, de hecho afectará adversamente el rendimiento de la planta de vapor (como se demuestra en la Ley de Dalton) y también tendrá el efecto de envolver las superficies de intercambio de calor. El aire también causará corrosión en el sistema de condensado. El aire puede purgarse usando una llave simple, normalmente dejada abierta hasta que el acumulador de vapor esté presurizado a aproximadamente 0,5 bar. Una alternativa a la llave es un purgador de aire de presión equilibrada, que no solo libera al operador de la planta de calderas de la tarea de purgar manualmente el aire (y por lo tanto asegurando que realmente se haga), sino que también es más confiable en purgar cualquier otro gas que se acumule en el recipiente durante el uso. Inversamente, cuando el acumulador de vapor se saca de línea, el vapor en el espacio de vapor se condensa y deja un vacío. Este vacío causa que se ejerza presión sobre el recipiente desde el exterior, y puede resultar en que el aire entre a través de las puertas de inspección. Un rompedor de vacío evitará esta situación.

Llave de drenaje

Esta válvula se usaría para drenar el recipiente para trabajo de mantenimiento e inspección. Una válvula DN40 sería adecuada para el tamaño del acumulador en el Ejemplo 3.22.2.

Desbordamiento

Se debe instalar una trampa de flotador con purgador termostático integral como en la Figura 3.22.10. Cuando se instala como se muestra, el nivel de agua dentro del acumulador no subirá por encima de este punto porque la trampa operará como una válvula de desbordamiento automática. Cuando el nivel de agua baja, es decir, cuando el vapor se extrae a una tasa más rápida de lo que se repone, la trampa se cerrará automáticamente para prevenir la escape de vapor. El uso de una trampa de flotador con una cápsula termostática integral como dispositivo limitador de nivel, ofrece la ventaja adicional de purga de aire. La trampa debe instalarse cerca del indicador de nivel. La descarga de la trampa debe dirigirse de vuelta al depósito de alimentación de la caldera, teniendo cuidado de evitar contrapresión excesiva o elevación. El tamaño de la trampa de flotador/termostática variará según el tamaño del acumulador, y sería típicamente de tamaño DN32 o DN40 para el Ejemplo 3.22.2.

Indicador de nivel de agua

La variación en el nivel dentro del acumulador de vapor no será grande porque solo aproximadamente el 5% de la masa de agua se destellará a vapor, sin embargo, algún medio de ver el nivel de agua es esencial. Claramente el indicador debe estar clasificado para operar a la presión de trabajo máxima del acumulador de vapor. Sin embargo, desde el punto de vista de estandarización de planta y mantenimiento de inventario, hay mérito en usar un indicador igual al de la caldera. Solo se requiere un solo indicador de nivel.

Estación reductora de presión

Se instala una estación reductora de presión en la descarga. A medida que la válvula reductora de presión se abre para mantener la presión aguas abajo, ocurre una reducción de presión en el acumulador de vapor causando que algo del agua se destelle a vapor. La válvula reductora de presión debe dimensionarse con los siguientes datos: P1 = Presión del acumulador (6 bar g en el ejemplo) P2 = Presión de la planta (5 bar g en el ejemplo) ΔP = 6 - 5 = 1 bar Caudal = Caudal máximo de sobrecarga (12 000 kg/h en el ejemplo) Ahora se puede seleccionar una válvula apropiada ya sea de las tablas de dimensionamiento del fabricante o usando el gráfico de dimensionamiento de vapor saturado mostrado en la Figura 3.22.9. Para tamaños hasta DN80, una válvula autoactuada operada por piloto sería adecuada, mientras que una válvula de control actuada neumáticamente es apropiada para tamaños mayores.

Tuberías

Es apropiado en este punto verificar que las tuberías entre la estación reductora de presión del acumulador de vapor y la planta estén adecuadamente dimensionadas. Esta tubería debe dimensionarse según la práctica normal en una velocidad de vapor de 25 a 30 m/s, pero usando el caudal pico del acumulador de vapor a la presión de la planta, en este caso 5 bar g.

Disposiciones típicas de acumuladores de vapor:

La Figura 3.22.11 muestra todo el vapor generado por la planta de calderas pasando a través del acumulador de vapor. Esta es la disposición generalmente preferida más moderna. La disposición mostrada en la Figura 3.22.12 se usaba más comúnmente en el pasado y todavía es útil cuando el acumulador de vapor debe ubicarse a cierta distancia del colector principal de vapor. Sin embargo, las válvulas de retención deben verificarse regularmente, ya que una combinación de válvulas ‘pegadas’ y ‘pasantes’ puede resultar en que se cargue vapor al acumulador de vapor por encima de la superficie de vapor, lo que no aporta beneficio. La Figura 3.22.13 muestra una disposición donde se necesita vapor a presión de caldera así como vapor a menor presión. Algunas aplicaciones de proceso no pueden tolerar vapor de baja presión, y se puede necesitar vapor a presión de caldera en todo momento (típicamente para un proceso de secado). Si un pico de carga es causado por los usuarios de alta presión, la válvula de mantenimiento de presión en la Figura 3.22.13 detectaría una caída de presión, y modularía hacia su asiento, reservando así vapor de alta presión para los usuarios de alta presión, dejando al acumulador de vapor suministrar la demanda de baja presión durante este período. De esta manera el sistema suministra una carga fluctuante de baja presión a través del acumulador de vapor y se asegura el máximo caudal posible para la carga de alta presión por la acción de la válvula de mantenimiento de presión. En la Figura 3.22.14, la caldera está vaporizando a su presión de diseño normal, por ejemplo 10 bar, y el vapor pasa a cargas variables que requieren no más de, por ejemplo 5 bar. La válvula reductora de presión A está reduciendo la presión entre el colector de la caldera y el colector principal de distribución en la planta, respondiendo a la presión detectada en la línea de 5 bar. Si la demanda de vapor excede la capacidad de este suministro desde la caldera, y la presión en el colector de baja presión cae por debajo de, por ejemplo 4,8 bar, la válvula B comenzará a abrirse y suplementar el suministro. Esto extrae vapor del acumulador de vapor, y sobre un período sostenido la presión del acumulador de vapor caerá. La válvula B está respondiendo a la presión aguas abajo en el colector de distribución, actuando así también como una válvula reductora de presión. Su capacidad debe coincidir con la tasa de descarga permitida para el acumulador de vapor, y será menor que la válvula reductora de presión A. La válvula C es una válvula de mantenimiento de presión, respondiendo a la presión de la caldera. Si la presión sube debido a la demanda reducida de la planta, la válvula de mantenimiento de presión C se abre. El vapor se admite entonces al acumulador de vapor que se recarga hacia su presión máxima, un poco por debajo de la presión de la caldera. La válvula reductora de presión B estará cerrada en este momento porque la planta está recibiendo suficiente vapor a través de la válvula reductora de presión A (parcialmente cerrada).

Consideraciones prácticas para acumuladores de vapor

By-pass En cualquier planta, el gerente de ingeniería debe esforzarse por proporcionar al menos un servicio mínimo en caso de que el acumulador de vapor y su equipo asociado requiera mantenimiento o se averíe. Esto incluirá la provisión de aislamiento adecuado y seguro del acumulador con válvulas, y quizás algún medio de proteger la caldera de sobrecarga si no pueden evitarse grandes cambios en la demanda. La solución más obvia aquí es una válvula de mantenimiento de presión de respaldo.

Conclusión

Los acumuladores de vapor no son reliquias anticuadas del pasado. De hecho, nada de eso. Los acumuladores de vapor se han instalado en toda la industria moderna incluyendo biotecnología, esterilización hospitalaria e industrial, bancos de prueba de productos, impresión y fabricación de alimentos, así como industrias más tradicionales como cervecerías y tintorerías. Las calderas modernas se han hecho más pequeñas y también hay un aumento en el uso de calderas de tubos de agua pequeñas, calderas de serpentín y calderas anulares, todas eficientes, pero que reducen la capacidad térmica del sistema, y lo hacen vulnerable a problemas de carga pico. Hay muchas más aplicaciones para acumuladores de vapor. Para picos a largo plazo que la planta de calderas debe manejar finalmente, un acumulador de vapor puede usarse para almacenar, por ejemplo, 5 minutos del caudal pico, permitiendo tiempo para que la planta de calderas alcance la producción apropiada de manera segura. Los acumuladores de vapor también pueden usarse con calderas de electrodos o de inmersión para que el vapor pueda generarse fuera de pico, almacenarse, y usarse durante los tiempos pico. Las posibilidades son infinitas. En resumen, el acumulador de vapor es una herramienta eficiente, ya que bien puede proporcionar la forma más rentable de suministrar vapor a un proceso por lotes. Reconocimiento Spirax Sarco reconoce la ayuda e información proporcionada por: Wilson Steam Storage Ltd., Chesterfield, Derbyshire, S41 8NG