El Sistema de Distribución de Vapor: Un Enlace Crítico
El sistema de distribución de vapor es un enlace importante entre la fuente generadora del vapor y el usuario. La fuente generadora debe proporcionar vapor de buena calidad en las condiciones de caudal y presiones requeridas, y debe realizarlo con las mínimas pérdidas de calor y atenciones de mantenimiento.
Características Deseables de un Fluido de Trabajo (Vapor)
- Materia prima barata de elevada disponibilidad.
- Amplio rango de temperatura de empleo.
- Ininflamable y no tóxico.
- Fácilmente transportable por tubería.
- Elevado calor de condensación.
- Elevado calor específico.
- Temperatura de condensación fácilmente regulable.
Dinámica del Flujo y Formación de Condensado
El flujo de vapor en un circuito se debe a la condensación del vapor, lo que provoca una caída de presión. Esto induce el flujo del vapor a través de las tuberías.
En la puesta en marcha del sistema, la cantidad de condensado será la mayor, debido a que el vapor se utiliza para el calentamiento de la tubería fría (carga de puesta en marcha). Cuando la tubería se haya calentado, aún habrá condensación, ya que la tubería seguirá cediendo calor al aire que la rodea (carga de funcionamiento).
El condensado resultante va a parar a la parte inferior de la tubería y es arrastrado a lo largo de esta por el flujo de vapor y por gravedad. Deberá entonces purgarse el condensado de los puntos bajos de la tubería de distribución.
Determinación de la Presión de Trabajo
La presión de trabajo se determina considerando:
- Presión requerida en el punto de utilización.
- Caída de presión a lo largo de la tubería debido a la resistencia al paso del fluido.
- Pérdidas de calor en la tubería.
Ventajas de la Distribución a Alta Presión
El vapor a alta presión ocupa menos volumen por kilogramo que el vapor a baja presión. Si el vapor se genera a una presión muy superior a la requerida y se distribuye a esta presión, el tamaño de las tuberías de distribución será mucho menor para cualquier caudal.
Beneficios Operacionales y Económicos:
- Requieren tuberías de distribución de vapor de menor diámetro. Al tener una superficie de intercambio menor, las pérdidas de calor serán menores.
- Menor coste de las líneas de distribución (materiales como tuberías, bridas, soportes, y mano de obra).
- Menor coste del aislamiento.
- Vapor más seco en el punto de utilización, debido al efecto de aumento de fracción seca que tiene lugar en cualquier reducción de presión.
- La capacidad de almacenamiento térmico de la caldera aumenta y ayuda a soportar de forma más eficiente las fluctuaciones de carga, reduciendo el riesgo de arrastres de agua e impurezas con el vapor a condiciones máximas.
Si se distribuye a altas presiones, será necesario reducir la presión de vapor en cada zona o punto de utilización del sistema para ajustarla a lo que la aplicación requiere. Sin embargo, al elevar la presión del vapor, los costes serán más altos también, porque requiere más combustible.
Reducción de Presión
El método más común es la utilización de una estación reductora de presión.
Dimensionado de Tuberías y Componentes
El dimensionado debe considerar la velocidad del fluido y la caída de presión. Se deben seleccionar correctamente los reductores concéntricos y excéntricos.
Consecuencias del Sobredimensionado:
- Las tuberías serán más caras de lo necesario.
- Se formará un mayor volumen de condensado a causa de las mayores pérdidas de calor.
- La calidad de vapor y posterior entrega de calor será más pobre, debido al mayor volumen de condensado que se forma.
- Los costes de instalación serán mayores.
Consecuencias del Subdimensionado:
- La velocidad del vapor y la caída de presión serán mayores, generando una presión inferior a la que se requiere en el punto de utilización.
- El volumen de vapor será insuficiente en el punto de utilización.
- Habrá mayor riesgo de erosión, golpe de ariete y ruidos a causa del aumento de velocidad.
Líneas de Distribución, Purga y Manejo de Condensado
En cualquier tubería de vapor, parte del vapor condensará a causa de las pérdidas por radiación, por lo tanto, debe preverse la purga del condensado.
Si esto no se realiza de forma efectiva, aparecerán problemas de corrosión y golpe de ariete. Además, el vapor se volverá húmedo, ya que recoge las gotitas de agua, reduciendo así su potencial de transferencia de calor. Si se permite la acumulación de agua, la sección de tubería disponible para el paso del vapor se ve reducida, de manera que la velocidad del vapor superará los límites recomendados.
Siempre que sea posible, la tubería de distribución debe montarse con un descenso no inferior a 40 mm cada 10 m, en la dirección al flujo. Montando la tubería con un descenso en la dirección del flujo, tanto el vapor como el condensado irán en la misma dirección y se pueden colocar puntos de purga en la línea para recoger y evacuar el agua.
Puntos de Purga y Selección de Purgadores
La ventaja de elegir el tipo de purgador más apropiado para una determinada aplicación será en vano si el condensado no puede encontrar fácilmente el camino hacia el purgador. Por esta razón, debe considerarse también qué le ocurre al condensado en una tubería de vapor cuando se produce una parada y todo el flujo cesa.
Los purgadores deberán, por tanto, montarse en esos puntos bajos. La solución más fiable para evacuar el condensado es montando una conexión T en la tubería que actúa como pozo de goteo. Todo el condensado caerá al pozo y recorrerá el camino por la tubería de 15 mm hasta el purgador. La boca de entrada al purgador se colocará un poco más arriba del fondo para evitar que la suciedad de las tuberías pase al purgador. La parte inferior del pozo es normalmente desmontable.
Prevención del Golpe de Ariete
El golpe de ariete se produce cuando el condensado, en lugar de ser purgado en los puntos bajos del sistema, es arrastrado por el vapor a lo largo de la tubería, y se detiene bruscamente al impactar contra algún obstáculo del sistema. Esta bolsa de agua es densa e incompresible y cuando viaja a una velocidad elevada, tiene una energía cinética considerable. Cuando se obstruye su paso, la energía cinética se convierte en un golpe de presión aplicado contra el obstáculo. Normalmente se produce un ruido de golpe, que puede ir acompañado del movimiento de la tubería. En casos serios, los accesorios pueden incluso romperse con un efecto casi explosivo, con la consecuente pérdida de vapor vivo en la rotura, creando una situación peligrosa.
Evitar el golpe de ariete es una alternativa mejor que intentar contenerlo eligiendo excelentes materiales y limitando la presión de los equipos. Las fuentes de problemas de golpe de ariete suelen estar en los puntos bajos de la tubería. Tales áreas son:
- Pandeos en la línea.
- Uso incorrecto de reductores concéntricos y filtros. Por este motivo, en las líneas de vapor es preferible montar filtros con la cesta horizontal.
- Purga inadecuada en líneas de vapor.
Medidas para Minimizar el Golpe de Ariete:
- Las líneas de vapor deben montarse con una inclinación descendente en la dirección del flujo, con puntos de purga instalados a intervalos regulares y en los puntos bajos.
- Deben montarse válvulas de retención después de los purgadores, ya que de otro modo se permitiría que el condensado se introdujera de nuevo en la línea de vapor o la planta durante las paradas.
- Las válvulas de aislamiento deben abrirse lentamente para permitir que el condensado que haya en el sistema pueda fluir sin brusquedades hacia, y a través de los purgadores, antes de que el vapor a gran velocidad lo arrastre. Esto es especial importante en la puesta en marcha.
Diseño de Derivaciones
Las derivaciones son normalmente mucho más cortas que las líneas de distribución principales. Las tuberías de las derivaciones se dimensionan para velocidades de vapor mayores. Esto creará una mayor caída de presión, pero con una longitud de tubería más corta, esta caída de presión es aceptable:
- Para derivaciones cortas: velocidad entre 25 a 35 m/s.
- Para largas: velocidad limitada a 15 m/s.
Conexiones y Drenaje de Derivaciones
Las derivaciones transportarán el vapor más seco siempre que las conexiones tomen el vapor de la parte superior de la tubería principal. La válvula debe instalarse tan cerca como sea posible de la derivación para evitar que el condensado se deposite en el ramal si se producen largas paradas del sistema.
En las derivaciones, es necesario un punto de purga con un purgador cerca de la válvula de aislamiento o con una válvula de control, ya que el condensado se acumula delante de la válvula cerrada y se introduciría con el vapor cuando esta abriera de nuevo.
Elevación del Terreno y Purga
Es prudente asegurarse de que el tamaño de la tubería es suficiente, en el tramo ascendente, para no reducir la velocidad a menos de 15 m/s. Asimismo, la distancia entre puntos de purga debe reducirse a no más de 15 m. El objetivo es evitar la película de condensado en la parte inferior de la tubería, que iría aumentando en espesor.
Equipos Auxiliares en la Línea de Vapor
Separadores de Gotas
Tan pronto como el vapor sale de la caldera, parte de este condensa para reponer el calor perdido a través de la pared de la tubería. El aislamiento reducirá naturalmente las pérdidas de calor, pero el flujo de calor y el grado de condensación disminuyen hasta cierta cantidad límite, y si no se toman acciones apropiadas, estas cantidades se acumularán.
El condensado formará gotitas en la pared interior de la tubería, que se unirán formando una película al ser barridas por el flujo de vapor. Un separador evacuará tanto las gotitas de agua de las paredes de la tubería como la humedad suspendida en el vapor. La presencia y efecto del golpe de ariete puede erradicarse montando un separador en la tubería principal de vapor y con frecuencia será una alternativa más económica que alterar la tubería para vencer este fenómeno.
Filtros
Los equipos de vapor pueden también sufrir daños permanentes al rayarse por la acción cortante del vapor y agua pasando a gran velocidad a través de una válvula parcialmente abierta. Cuando una válvula se ha rayado, no volverá a procurar un cierre estanco, aunque se elimine la suciedad de ella.
Por lo tanto, es sensato montar un simple filtro en la tubería delante de cada purgador, aparato de medida, válvula reductora y válvula de control. Los filtros, sin embargo, pueden ser una fuente de problemas de golpe de ariete; para evitar esto, cuando forman parte de una línea de vapor, los filtros deben montarse con la cesta en posición horizontal.