Intercambiadores de Calor de Vapor y Sistemas de Traceado Mejores Prácticas para Ingenieros de Diseño

Intercambiadores de Calor de Vapor y Sistemas de Traceado Mejores Prácticas para Ingenieros de Diseño

Alex Chu, Sistema de Vapor Industrial SME, Ingeniero de Campo de Swagelok

Diseñar un buen intercambiador de calor de vapor o sistema de traceado con vapor requiere un conocimiento completo de las características operativas en las que funcionará el sistema. Un mal funcionamiento se atribuye normalmente a que el ingeniero de diseño no ha tenido en cuenta todas las características del sistema de vapor. Se deben revisar completamente los parámetros de operación y la documentación del sistema de vapor. Si no se entiende el contexto de la aplicación normalmente no se tendrá control sobre los componentes del sistema o su selección.

Problemas Habituales de Diseño y Selección de Producto

Al diseñar un sistema de vapor industrial se deben tener en cuenta las bases fundamentales para evitar fallos prematuros o un rendimiento deficiente. Los expertos de Swagelok, habiendo revisado muchas aplicaciones industriales de transferencia de calor en varias localizaciones e industrias, han encontrado que los problemas más habituales están causados por una incorrecta selección de componentes, o bien por prácticas de instalación incorrectas. Algunos problemas de ejemplo incluyen:

• Calidad de producto final inaceptable
• Fallo prematuro de componentes
• Control deficiente de la temperatura
• Transferencia de calor inadecuada
• Golpes de ariete
• Obstrucción del equipo de transferencia de calor
• Obstrucción del equipo de transferencia de calor

Mejores Prácticas para el Diseño de Sistemas de Vapor

Seguir algunas directrices sencillas y utilizar técnicas probadas en campo puede ayudarle a evitar los problemas habituales relacionados con el diseño de sistemas de vapor industriales. Antes de seleccionar los componentes de su próximo intercambiador de calor y sistema de traceado con vapor, revise e implemente en las operaciones de diseño, mantenimiento y en el programa de especificación de sus instalaciones las prácticas que sugerimos en todo este artículo.

1. Eliminar la acumulación y el remanente de condensado en el suministro de vapor

Una válvula de control de vapor está diseñada para modular el caudal de vapor entre 0 y el 100%. En una situación de bajo caudal o caudal inexistente, el condensado se puede acumular antes de la entrada de la válvula de control. La acumulación de condensado antes de la válvula puede provocar un golpe de ariete. También, cualquier cantidad de condensado que pase por la válvula de control de vapor puede precipitar el fallo de ésta.

Hay varias formas de eliminar la acumulación de condensado. Instalar un pozo de goteo antes de la válvula, mejorar el aislamiento, graduar correctamente la línea de vapor o instalar un separador de vapor antes de la válvula son solo algunos de los métodos. Estos métodos o bien previenen la condensación desde el principio o permiten desviar el condensado de la válvula de control para evacuarlo por medio de un purgador de vapor.

2. Siga las directrices sobre la relación de reducción de las válvulas de control

Los componentes de transferencia de calor necesitan válvulas de control adecuadas para un control efectivo de la temperatura de proceso y vida útil del asiento. Un factor decisivo para seleccionar válvulas de control es su capacidad de reducción, relación de rango o rango de servicio.

Todas las válvulas tienen un cierto grado de caudal incontrolable, particularmente en los extremos de la amplitud del recorrido debido a las tolerancias de cierre y a la linealidad del caudal.

A continuación mostramos algunas directrices sobre la relación de reducción de las válvulas de control:

• Control de cesta = La relación de reducción de 40:1 ofrece el mayor grado de control.
• Válvula de control de globo = Relación de reducción de 30:1.
• Válvula de regulación = Relación de reducción de 20:1.

Una válvula de control mal seleccionada puede llevar a un control deficiente de la temperatura de proceso, desgaste prematuro del asiento de la válvula y ruido excesivo.

3. Instale manómetros antes y después de la válvula de control

Los manómetros le darán la información necesaria para entender las condiciones en el sistema. Un buen hábito es instalar un manómetro antes y después de la válvula de control y en la línea de retorno de condensado, después del purgador de vapor. Así se obtiene información precisa que ayuda a entender las características de presión del vapor que circula por el intercambiador de vapor. Además, todos los manómetros deben incorporar un sifón en bobina (serpentín) para evitar daños por alta temperatura y válvulas de aislamiento de doble cierre para permitir el mantenimiento.

4. Instale dispositivos de rotura de vacío

Cualquier sistema de vapor que pueda ser aislado del suministro de vapor y no esté abierto a la atmósfera debe tener rompedores de vacío. Esto incluye equipos como líneas de vapor o intercambiadores de calor de caldera, de placas o de haz de tubos aislados. Cuando el vapor se enfría en el interior del equipo, se condensa. Dado que el condensado solo ocupa hasta 1/1700º del volumen total de su masa en fase gas, se formará vacío.

Los rompedores de vacío protegen los sistemas de vapor de la implosión cuando un sistema está cerrado, al evitar la formación de vacío. Generalmente se recomienda que todo el equipo de vapor incorpore venteos y rompedores de vacío en los puntos indicados por el fabricante del equipo.

5. Instale dispositivos de venteo automáticos

Durante las paradas y el mantenimiento, se introduce aire en los sistemas de vapor. Se debe purgar el aire antes de que el sistema vuelva a estar en servicio. La presencia de aire en un sistema de intercambio de calor de vapor tiene muchos efectos perjudiciales para la transferencia de calor, y frecuentemente provoca lentitud en la puesta en marcha. El aire en el sistema puede formar capas finas de aire en las superficies de transferencia de calor—creando un efecto aislante que dificulta la operación. Una capa delgada de aire de solo 1/1000º de una pulgada tiene el mismo efecto que 13 pulgadas de cobre o 3 pulgadas de fundición de hierro.

No se debe confiar en que los purgadores de vapor venteen el aire, ya que están ubicados en el punto más bajo del sistema y el aire caliente tiende a acumularse en el punto más alto. Los dispositivos de venteo de aire automáticos son una de las formas más eficientes de eliminar el aire en un sistema de vapor. Un dispositivo de venteo instalado en el extremo de una tubería principal de vapor, o en el punto más alto del equipo, unido a un rompedor de vacío, abrirán en presencia de aire.

6. Evite la contrapresión en el equipo de transferencia de calor

Al diseñar el equipo de transferencia de calor para su sistema de vapor, el drenaje del condensado se efectúa bien por gravedad o por presión diferencial. Si es posible, el equipo de transferencia de calor se debe instalar de modo que facilite el drenaje gravitacional sin elevación vertical antes o después de los purgadores de vapor. Este punto es crucial en cualquier aplicación que incluya una válvula de control de vapor por modulación. Algunas aplicaciones no permiten el drenaje gravitacional, y en esos casos se debe prestar atención para asegurar que no se aplica contrapresión en dispositivos de condensado como purgadores de vapor o válvulas de control. La contrapresión imprevista en dispositivos de drenaje puede producir fallos prematuros y problemas de rendimiento debido a que ésta favorece la acumulación de condensado en el equipo. Esto resultará en golpes de ariete, un mal control de la temperatura, reducción de la eficiencia y problemas de corrosión.

7. Evite el vapor sobrecalentado

Las aplicaciones típicas de caldeado con vapor requieren un suministro 100% de vapor saturado de calidad. Ese nivel de calidad se refiere a vapor que no contenga gotas de condensado en su caudal. Se debe evitar que el vapor sobrecalentado, o vapor a una temperatura superior a su punto de saturación entre en el proceso de transferencia de calor. El vapor sobrecalentado tiene menos energía por unidad de volumen que el vapor saturado, y puede provocar problemas de rendimiento si no se tiene en cuenta en el diseño original del sistema de vapor. El suministro de vapor sobrecalentado se puede acondicionar instalando un atemperador.

8. Válvulas de bola con bloqueo

Las válvulas de bola son una solución segura, fiable y rentable para el aislamiento sin fugas de un sistema de vapor. Permiten una rápida identificación del estado de aislamiento gracias a la orientación del mando. Las válvulas de bola hasta 2 pulgadas se pueden adquirir con mandos con bloqueo, lo cual es la mejor práctica de seguridad en cuanto a bloqueo y etiquetado. Asegúrese de comprobar con su departamento de seguridad e inspección el cumplimiento de todas las normas internas o locales en relación a los procedimientos de bloqueo y etiquetado de su sistema de vapor.

9. Selección y dimensionado correcto de los purgadores de vapor

Los purgadores tienen muchos y diferentes diseños mecánicos. Los diferentes diseños satisfacen diferentes aplicaciones y algunos son más fiables que otros. Para aplicaciones de intercambiadores de calor será más adecuado un purgador de vapor de tipo mecánico para modular el caudal. Para traceado con vapor se pueden seleccionar varios tipos de purgadores de vapor en función de las necesidades de la aplicación.

Otras consideraciones para la selección del purgador de vapor son valorarlo según máximo y mínimo caudal, requisitos de cebado, venteo de aire, pruebas funcionales y opciones de montaje. Swagelok recomienda utilizar montajes universales para los purgadores pequeños, para facilitar el mantenimiento y la sustitución.

La posibilidad de probar los purgadores de vapor sin equipo especial es conveniente, especialmente en un sistema de retorno de lazo cerrado. Eso se puede conseguir instalando un bypass aguas abajo, que permite la comprobación visual, fácil y rápida de la descarga de condensado.

10. Instale un tamiz para evitar la contaminación exterior

La contaminación puede ser habitual en una línea de vapor debido a la corrosión y sus subproductos. Los contaminantes pueden alojarse en los interiores de la válvula de control y en los asientos de las válvulas de aislamiento y de los purgadores de vapor—provocando fallos prematuros o atascando dichos componentes. El tamiz actuará como un filtro y evitará que los contaminantes externos entren en el sistema de vapor.

Al instalar el tamiz, instale siempre también una válvula de purga con un sistema de bloqueo, y ventee la descarga de la válvula hacia una ubicación segura. Asegúrese de instalar el tamiz con el elemento filtrante en posición horizontal para prevenir la acumulación de condensado en el cuerpo de la membrana.

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