el vapor en la industria por spirax sarco
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El vapor en la Industria
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Objet ivo
Con esta presentacin se pretende trasladarideas generales y bsicas para facilitar un mejor
conocimiento del vapor y los sistemas de
generacin, distribucin y aplicacin, para que
los tcnicos responsables del diseo, montaje,
operacin y mantenimiento puedan obtener
mejoras en la produccin y en la eficiencia
energtica.
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Programa
Principios bsicos del vapor Circuito de vapor
Equipamiento sala de calderas
Distribucin del vapor Equipos de proceso
Retorno del condensado
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Ques el vapor?
Aplicando calor: El hielo pasa a lquido
La temperatura dellquido aumenta
El lquido se convierteen gas (vapor saturado)
Aplicando ms calor se
obtiene vapor sobrecalentado
Centraremos la atencin en las
fases lquido / gasy en el cambio
de una a la otra.
El agua puede estar en tresestados:
Slido
Lquido
Gas (vapor)
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Cmo se obtiene el vapor?
Si se aade calor al agua,
su temperatura aumentahasta alcanzar un valorllamado temperatura desaturacin
Un nuevo aporte de energahar que el agua hierva y seconvierta en vapor.
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Cmo se obtiene el vapor?
La evaporacin requiereuna cantidad importante deenerga y mientras se estproduciendo, el agua y elvapor formado tienen lamisma temperatura
Cuando el vapor libera estaenerga se convierte enagua, sin cambio detemperatura.
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Para quse usa el vapor?
Agua + Calor = Vapor
Vapor - Calor = Agua
El vapores un transportador energa.
Despus de utilizarse como fuerza motriz, se descubri que
el vapor tambin era muy eficaz como medio detransferencia de energa calorfica
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Dnde se usa el vapor?
En la actualidad se usa como fuerza motriz en laproduccin de energa elctrica (turbinas)
Como medio de transferencia de calor existenmultitud de industrias:
Petroqumica, Qumica, Farmacutica, Metalrgica,Naval, Textil, Papelera, Cervecera, Tabacalera,
Alimentacin, Bebidas, Caucho, Servicios, etc
En procesos muy diversos:
Calentar, evaporar, fundir, esterilizar, secar,humidificar, cocinar, lavar, planchar, vaco, etc.
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Porquse usa el vapor?
Para su produccin se utiliza agua:
Abundante, Barata, Fcil de obtener
Es muy controlable:
A cada presin le corresponde una temperatura, una
energa especfica, un volumen especfico
Transporta cantidades de energa elevadas porunidad de masa:
Menor superficie de intercambio en los procesos y
menor cantidad de fluido usado
Es estril y de fcil distribucin y control.
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Tablas del vapo r
ENTALPIA ESPECIFICAPresin
manom-
trica (bar)Temp.
CAgua
kJ / kg
Evaporacin
kJ / kg
Total
kJ / kg
Volumen
especfico
m3 / kg
0
12
3
4
5
6
7
100
120.42133.69
143.75
151.96
158.92
165.04
170.5
419
506562
605
641
671
697
721
2257
22012163
2133
2108
2086
2066
2048
2676
27072725
2738
2749
2757
2763
2769
1.673
0.8810.603
0.461
0.374
0.315
0.272
0.24
Presin
absoluta
bar
1
23
4
5
6
7
8
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Cal idad del vapo r
Vapor Saturado
No contiene gotas de agua lquida
Vapor Hmedo
Contiene gotas de agua
Aumenta la erosin y reduce la transferencia de calor
Vapor Sobrecalentado
Temperatura por encima del vapor saturado
Se utiliza habitualmente para turbinas
Es importante que el vapor utilizado para
procesos sea lo ms seco posible
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Barreras en la trans ferenc ia de calor
Paredmetlica
Capas de
suciedad Producto
Productoa
calentarVapor
Aire Condensado
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Eliminacinde agua y aire en el vapor
Solucin a los problemas de agua y aire:
Purgadores
Eliminadores
Son vlvulas automticas que abren en presencia de aguao aire y cierran con vapor
Purgador
Eliminador aire
Marmita
Purgador
Eliminador aire
Final tubera
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Circu ito tp ico de vapor
Caldera
Marmita
Bomba.
Tanque alimentacin
Alimentacin
agua
Condensado
Condensado
Vapor
Vapor
Depsito conserpentn
Intercambiador
Aportacin agua
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Instalaciones de vapo r
El vapor debe estar disponible en el punto de usosatisfaciendo los siguientes factores:
Cantidad suficiente
Presin y temperatura correcta
Libre de aire y gases incondensables Limpio
Seco.
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Calderas de vapor
La caldera es el equipo
que convierte agua envapor aplicando calor
De su correcta eleccin yequipamiento depende en
buena parte el rendimientototal del sistema
Hay dos tipos de calderas,segn la disposicin de losfluidos:
Pirotubulares
Acuotubulares.
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Calderas p irotubu lares
Calor por el interior de
los tubos Agua por el exterior de
los tubos
Para presiones
mximas de 20 bar yconsumos hasta 30T/h
Son econmicas, dealto rendimiento y fcilmantenimiento.
2 paso (tubos)
1 paso (horno)
Vapor
Gases de
combustin
Cmara de evaporacin
Quemador
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Equ ipam iento calderas
Los objetivos delequipamiento deuna caldera son:
Funcionamiento
Seguridad Eficiencia.
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Contro l de nivel modulante
Bomba agua
alimentacin
Vlvula con
actuador elctrico
Sonda capacitiva
LP20 / PA20
Recircu-
lacin
ControladorLC2200
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Equ ipamiento po r segur idad
Indicadores de nivel
Alarmas de nivel
Vlvulas de seguridad
Vlvulas de retencinalimentacin agua
Presostato Normativas de construccin
y ubicacin.
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Indicado res de n ivel
Nivel agua normal
(control
modulante)
Alarma de nivel alto
Paro bomba o vlvula alim. cerradaMarcha bomba o vlvula alim. abierta
1 Alarma de nivel bajo
2 Alarma de nivel bajo
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A larmas de n ivel
Las alarmas de nivel detectan niveles bajo o alto y
paran la caldera. Existen dos tipos:
Alarmas de nivel estndar:
Para sala de calderas con vigilancia continua
Alarmas de nivel de alta seguridad: Con auto verificacin
Para sala de calderas sin vigilancia continua.
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Equipam iento po r ef ic ienc ia
Tratamiento del agua de
alimentacin Control purgas de caldera
Recuperacin de calor enlas purgas
Control de la combustin
Recuperacin de calor enlos humos de combustin.
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Produccin de vapor
Vapor limpio y seco
Agua de
alimentacin
con impurezas Acumulacin
de impurezasen la caldera
Eliminacinde impurezas.
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Cuanto purgar? (ejemp lo )
Agua alimentacin con:
250 ppm = 0,25 gr/litro
Produccin vapor:
10.000 kg/h
Valor de sales recomendado:
Entre 2000 y 4000 ppm
(dependiendo de la caldera)
ppm(entrada) x Produccin 250 x 10.000
Cantidad purga= = = 909 kg/hppm (deseado)ppm (entrada) 3000250
Prdidas de energa
+ Purga Prdidas de agua
Prdidas de tratamiento
Aumento de sales Purga Aumento de espumas
Arrastres de agua con vapor
C l ld ?
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Cmo purgar la caldera?
Sonda
conductiva
Controlador
Vlvula controlpurga
Enfriador de muestras.
Sistema Automtico de Control de Sales
P d f d t i d
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Purga de fondos tempo r izada
Vlvula con actuadorneumtico Temporizador
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Di i d d t b
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Dimens ionado de tuberas
+Coste
+ Prdidas calor
+ Condensado
+ Velocidad+ Cada de presin
+ Erosin.
Sobredimensionada
Subdimensionada
C l i l t ?
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Cmo eleg imos el tamao?
Considerando: Velocidad y Cada de presin
La velocidad del vapor no debe sobrepasar:
En lneas principales 25 a 35 m/seg
En derivaciones 20 a 25 m/seg.
La cada de presin no debe superar un determinadovalor, para asegurar que el vapor llega a los puntos deconsumo con la presin necesaria
L
Caudal vapor
P1 P2
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G l d i t
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Golpe de ariete
Pandeo en la tubera
Bolsa de condensado
Vibraciones y ruidos
causados por
golpe de ariete
Condensado
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Fi l tros en al imen tacin de vapo r
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Fi l tros en al imen tacin de vapo r
Los filtros en las lneas de vapor, pueden ser una fuentede problemas de golpes de ariete. Para evitarlos debenmontarse con la cesta en posicin horizontal.
Filtro
Vlvula de control
Vapor
Conexin de las derivaciones
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Conexin de las derivaciones
La conexin de una
derivacin por la parte altade la tubera principalasegura un vapor ms secoen el proceso.
CorrectoIncorrecto
CondensadoCondensado
Vapor Vapor
Drenaje de una derivacin
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Drenaje de una derivacin
Vlvula deInterrupcin
Conjunto de drenaje
Tubera principal
Vapo
r
El condensadose acumuladelante de lavlvula cerraday se introducir
con el vaporcuando abra
Es convenienteel drenaje en elpunto bajo dela derivacin.
Compensacin de di lataciones
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Compensacin de di lataciones
Lira
Se suele utilizar cuando se dispone de espacio
Debe montarse horizontal, en el mismo plano que latubera, para evitar puntos de acumulacin decondensado.
Compensacin de di lataciones
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Compensacin de di lataciones
Fuelle
Se intercalan en la tubera ocupando poco espacio
Deben estar perfectamente alineados con la tubera y estade estar bien anclada y guiada para que las fuerzaslaterales no las soporte el fuelle.
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Reduccin de presin
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Reduccin de presin
Se instalan vlvulas reductoras por:
Necesidad
Presin de diseo del equipo inferior a la presin
disponible
EficaciaAhorro de energa si el proceso admite menor presin
Mejora la calidad del vapor
Aumenta la vida de los equipos.
Vlvu la reducto ra de acc in d irecta DRV
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Vlvu la reducto ra de acc in d irecta DRV
Flujo de abajohacia arriba del
asiento Vstago con doble gua
Fuelle de compensacinPlato de ajuste de
presin
Vstago sellado con fuelleResorte para ajuste
de presin
Plato resorte con
cojinetes
Cmara presin con
diafragma
Gama de 6 actuadores
con diferentes resortes
intercambiables
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Ins talac in vlvu las reducto ras
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Ins talac in vlvu las reducto ras
Separador Vlvula Filtro Manmetro Vlvula Vlvula Manmetro Vlvula
interrupcin reductora seguridad interrupcin
Vlvula Filtro Cmara Purgador Vlvula
interrupcin spiratec retencin
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Medicin del caudal de vapo r
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Medicin del caudal de vapo r
La principal razn para utilizar medidores de caudal es que:
No se puede gestionar lo que no se puede medir Los medidores de caudal de vapor dan una informacin
vital sobre su uso y costes asociados que permite mejorarla eficiencia en cuatro reas:
Eficiencia de la planta Distribucin de cargas, puntas de consumo, etc
Uso eficiente de la energa Resultados de medidas de ahorro energtico, deteccin de fugas, etc
Control de procesos Confirmar si se ha suministrado suficiente vapor a la presin y
temperatura correcta, conocer puntas de consumo, etc
Clculo y atribucin de costes Coste como materia prima, rendimiento por secciones, venta de vapor.
Tipos de medidores de caudal
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Tipos de medidores de caudal
Placa Orificio
Vortex
Area variable
Medida de nguloMedida de fuerza
Medida de presin diferencial.
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Drenaje de condensado
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Drenaje de condensado
Cuando el vapor cede su calor latente o entalpa
de evaporacin se convierte en condensado En los sistemas de vapor son necesarios
elementos que diferencien el estado gas (vapor)y el lquido (condensado)
A estos elementos se les llama purgadoresdevapor
El purgador es una vlvula automtica que cierra
en presencia de vapor y abre cuando le llegacondensado o aire.
Tipos de pu rgado res
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Tipos de pu rgado res
Termostticos
Actan por temperatura. El condensado debe enfriarse pordebajo de la temperatura del vapor
Termostticos de presin equilibrada
Termostticos bimetlicos
MecnicosActan por diferencia de densidad entre el vapor y elcondensado
Mecnicos de boya cerrada
Mecnicos de cubeta invertida
TermodinmicosActan por diferencia de velocidad entre vapor ycondensado.
Purgado r termosttico de pres in equ il ib rada
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Purgado r termosttico de pres in equ il ib rada
En la puesta en marchala cpsula termostticaest fra y mantiene lavlvula abierta.
El condensado fro y elaire son descargadosinmediatamente.
La cpsula se calientacuando la temperaturadel condensado seacerca a la del vapor
El lquido que la llenahierve y la presin devapor resultante empujala vlvula haca elasiento cerrando el paso
Cuando el condensadose enfra, el vapor de lacpsula condensa y lapresin interna de lamisma cae
La vlvula abre,descarga el condensadoy el ciclo se repite.
Cpsula termosttica
Purgador termosttico b imetlico
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Purgador termosttico b imetlico
En la puesta enmarcha, el elementobimetlico est
relajado y la vlvulaabierta.
El condensado fro y elaire son descargadosinmediatamente.
Al fluir el condensadocaliente a travs delpurgador, las lminas
se dilatan y empujan lavlvula contra elasiento
Cuando la temperaturadel condensado seacerca a la del vapor la
vlvula cierra. Cuando no hay flujo el
condensado se enfra,el elemento se relaja, lapresin abre la vlvulay el ciclo se repite.
Elemento bimetlico
Purgado r mecnico de boya cerrada
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Purgado r mecnico de boya cerrada
En la puesta en
marcha, uneliminadortermosttico permitesalir el aire a travsde un by-pass de lavlvula principal.
El condensado entra y hace
flotar la boya que unida auna palanca abre la vlvula,permitiendo la salida
El condensado calientecierra el eliminador de aire
Cuando llega
vapor el flotadorbaja y cierra elorificio de salida
El nivel de aguaqueda por encimade este orificio.
Eliminador termosttico
Purgado r m ecnico de cubeta invert ida
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Purgado r mecnico de cubeta invert ida
Orificio
venteo
El condensado llega
al purgador y formaun sello de agua
El peso de la cubetamantiene la vlvulaabierta y permite lasalida de condensado
Cuando el vapor
entra eleva lacubeta
El mecanismode palanca sedesplaza ycierra la vlvula
El vapor sale
de la cubetapor un orificio.
El peso de lacubeta abre lavlvula y elciclo se repite
El orificio de venteo
es pequeo yelimina el airelentamente, puedeser necesario uneliminador de aireseparado.
Purgado r termod inm ico
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Purgado r termod inm ico
En la puesta enmarcha, la presinentrante levanta eldisco
El condensado froy el aire saleninmediatamente
El condensado calienteproduce revaporizado
La alta velocidad baja lapresin en el disco y lo acerca
al asiento Al mismo tiempo se produceuna presin, producida por elrevaporizado en la cmarasobre el disco, que le obliga acerrar venciendo la presindel condensado
El disco cierra la entrada ymantiene la cmarasuperior presurizada
La presin en la cmara
disminuye porcondensacin delrevaporizado
El disco se levanta cuandovence la presin deentrada y el ciclo se repite.
Disco
Selecc in de purgadores
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Se ecc de pu gado es
Por aplicacin Debe seleccionarse el purgador ms adecuado para cada
aplicacin.
Esto puede ser muy amplio, pero como gua puede utilizarse lo
siguiente:
Termostticos (Purga de aire, Acompaamiento no crticode vapor, Equipos que pueden ser inundadospara poder aprovechar calor sensible)
Mecnicos (Procesos con control de temperatura)
Termodinmicos (Drenaje de lneas de distribucin de vapor,
Acompaamiento crtico de vapor)
Por condiciones de trabajo Hay que tener en cuenta la Presin,Temperatura, Caudal de
condensado y Presin diferencial.
Selecc in segn caudal y presin d iferenc ial
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g y p
La capacidad de un
purgador depende de lapresin diferencial
Un purgadordescargando a laatmsfera, para elclculo de su capacidadse tomar como presindiferencial la de entrada
Sin embargo sidescarga a una lneapresurizada, se tomarla diferencia depresiones entre laentrada y la salida.Presin diferencial (bar
Condensa
do
(kg/h)
Mon taje pu rgador de boya cerrada
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j p g y
Sentido de
circulacin
del fluido
segn flecha
en el cuerpo Posicin conflecha de placa
caractersticas
vertical y con la
punta hacia abajo
Fugas de vapor en pu rgadores
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g p p g
Las fugas de vapor
en purgadorescausan
prdidas de energa
y problemas defuncionamiento enotros equipos
por aumento en la
contrapresin.
Fugas de vapo r en pu rgadores(ejemplo)
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g p p g ( j p )
Considerando un purgador de 1/2 con un orificio de 4 mm, trabajandocon presin de 10 bar r y contrapresin de 2 bar r
W = D2x P x 0,41 W = Fuga de vapor en Kg/hD = Dimetro orificio en mmP = Presin diferencial en bar
W = 16 x 8 x 0.41 = 52,48 kg/h
Los purgadores que tienen fugas de vapor tambin descargancondensado y no todos quedan abiertos totalmente, por lo cualconsideramos que pierden la cuarta parte del valor calculado:
52,48 : 4 = 13 kg/h
Prdidas econmicas anuales:
13 kg/h x 24 h/da x 350 das/ao = 109.200 kg/h = 109 Ton/ao
Con un coste de 12 euros/Ton. Vapor
109 Ton/ao x 12 euros/Ton = 1.300 euros/ao(216.000 ptas/ao).
Detecc in de fugas en pu rgadores
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g p g
Por ultrasonidos
Se requiere experiencia
Puede utilizarse para detectar fugas en otros
elementos y otros fluidos
Sistema Spiratec No se requiere experiencia
Slo utilizable en purgadores
Necesita montar una cmara delante del purgador o
instalar purgadores que ya la incorporan
Detecc in de fugas por ul t rasonidos
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g p
Purgador
Sonda
Indicador de
ultrasonidos
Detecc in de fugas con Sp iratec(opciones)
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Purgador con cmara sensora independiente
Purgador con sensor incorporado
Control
automtico R1C
Control
automtico R16C
Indicador
manual
Recuperacin del condensado
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p
Es necesario recuperar el condensado por:
Por ahorro de energaAlimentar una caldera de 10 bar, con agua a 80 C en
lugar de 20 C supone un ahorro de combustible del 9%
Por ahorro en tratamiento del agua dealimentacin a calderaEl condensado es agua pura si no se contamina en su
recorrido. El porcentaje de ahorro ser el mismo que el
de recuperacin de condensado
Por ahorro del coste agua.
Dimens ionado de tuberas de condensado
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15 mm 20 mm 25 mm 32 mm 40 mm 50 mm 65 mm 80 mm 100 mm
Prd. carga
mbar por m Caudal condensado kg/h
0,5 123 286 538 1172 1787 3447 6949 10859 22154
0,8 * 160 370 695 1510 2300 4427 8972 13925 28350
1 180 418 785 1701 2590 4990 10115 15649 31879
2 265 611 1143 2472 3760 7221 14560 22589 45931
Caudal de agua en tuberas de acero:
Las tuberas de condensado deben tener una seccin que
permita llevar el condensado y el revaporizado que se forme. Sivan llenas de condensado se presurizan
Una forma prctica de dimensionado consiste en considerar eldoble de caudal de condensado.
Contrapresin en los pu rgadores
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La presin en la lnea de condensados
(Contrapresinen los purgadores) es igual a:Presin hidrosttica (altura manomtrica)
+
Resistencia por rozamiento al paso del fluido
La capacidad de descarga de los purgadoresdepende de la Presin Diferencialque es:
Presin entrada - Contrapresin
Cuando no hay suficiente presin diferencial, nose puede recuperar el condensado o ha dehacerse a travs de una bomba.
Bombas de condensado acc ionadas por vapor
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Flotador
Resorte
Entrada vapor
o aire
Escape
Vlvula retencin
entrada
condensadoVlvula retencinsalida
condensado
Ins talacin bombas acc ionadas po r vapor
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Condensad
o depurgadores
Condensado
a retorno
Atmsfera
Entrada
condensado
por gravedad
Vapor
Escape
.
Drenaje de in tercamb iado res de calor
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Un elevado nmero de procesos utiliza la
transferencia de calor del vapor a otro fluido,utilizando intercambiadores de calor
Cuando el vapor cede calor se forma condensadoque se drena a travs de un purgador
Suelen aparecer con frecuencia problemas de: Temperaturas inestables
Corrosin excesiva
Ruido y daos en los equipos por golpes de ariete
La principal causa de estos problemas es eldrenaje deficiente del condensado.
Funcionam iento Intercambiador de calor (1)
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Temperatura salida baja
Vlvula control
abre y aumentaP1
Si P1> P2y lapresin diferencial esla suficiente para queel purgador drene el
condensado, elintercambiadorfuncionarcorrectamente
Intercambiador de calor
P2
P1
Purgador
Vapor
Fluido a
calentar
Funcionam iento Intercambiador de calor (2)
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Temperatura salida aumenta
Vlvula control va
cerrando y disminuyeP1
Si P1P2esinsuficiente para que elpurgador drene elcondensado se produceinterrupcin de flujo
El intercambiador seinundar y ser la causade los problemasindicados
Intercambiador de calor
P2
P1
Purgador
Vapor
Fluido a
calentar
Soluc in al problema de inundacin
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Los problemas de inundacin en sistemas de intercambio de calor se resuelvencon la instalacin de un sistema bomba/purgador, accionado por vapor
Cuando hay presin diferencial suficiente acta como purgador y cuando no lahay el mecanismo bomba permite la entrada de vapor, que impulsa elcondensado a la tubera de retorno.
Vlvula de
control
Bomba/purgador
Intercambiador
Vapor
Vapor
Aire
Resumen
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Principios bsicos del vapor (tablas, calidad, transferencia)
Barreras en la transferencia de calor (suciedad, agua, aire) Instalaciones (cantidad vapor, presin, limpio, seco y sin aire)
Circuito tpico de vapor (caldera, distribucin vapor, procesos yretorno condensados)
Equipamiento caldera (funcionamiento, seguridad, eficiencia)
Control de nivel (todo / nada, modulante) Alarmas de nivel (estndar y alta seguridad)
Tanque de alimentacin (asegurar mezcla correcta)
Produccin de vapor (limpio y seco, necesidad de purgar)
Sistema automtico de control de sales y purga de fondo Agua con el vapor (baja presin, valores altos de demanda,
nivel y sales).
Resumen (cont.)
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Dimensionado tuberas vapor (velocidad y cada de presin)
Drenaje de tuberas de vapor (evitar golpes de ariete) Reduccin en lneas de vapor (mejor excntricas)
Montaje de filtros en vapor (tamiz horizontal)
Conexin de las derivaciones (por la parte alta)
Drenaje de las derivaciones antes de vlvulas de control Compensacin de dilataciones (liras y fuelles)
Calorifugado de tuberas (ahorro y seguridad)
Reduccin de presin (calidad y posible ahorro)
Equipo reductor de presin (instalacin y dimensionado) Regulacin de temperatura (calidad productos y ahorro).
Resumen
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Intercambiadores de calor (seleccin sistema intercambio)
Medicin del caudal de vapor (eficiencia, control, costes) Caractersticas medidores de caudal (precisin, rango)
Purgadores (termostticos, mecnicos, termodinmicos)
Seleccin de purgadores (aplicacin, presin, temperatura,
caudal, presin diferencial) Deteccin de fugas (ultrasonidos, spiratec)
Recuperacin condensado (ahorro energa, tratamiento y agua)
Dimensionado de tuberas de condensado
Bombas de condensado accionadas por vapor Intercambiadores de calor (funcionamiento y solucin al
problema de inundacin).
El grupo Spirax Sarco
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Fundado en 1910
Tiene su central en Cheltenham (Inglaterra)
4.000 personas en 40 compaas de 32 pases
12 plantas de fabricacin y 31 centros de formacin
Filial espaola en S. Feliu de Llobregat (Barcelona), conoficinas en Madrid, Bilbao, Valencia y representantes en
17 zonas geogrficas de todo el territorio espaol
Proporciona conocimientos, servicios y productos en todo
el mundo para el control y uso eficiente del vapor y otrosfluidos industriales.
El grupo Spirax Sarco
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Cursos de formacin terica y prctica
Centro de formacin en S. Feliu (Barcelona), con rea de
entrenamiento (instalacin de vapor) para realizar prcticas
Asesoramiento tcnico
Estudios completos de instalaciones de vapor
Revisiones peridicas de purgadores
Servicio post-venta
Amplia gama de productos fabricados bajo normas ISO-9001 / ISO-
9002.
Conocimientos, Servicios y Productos
Spirax Sarco ofrece:
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El vapor en la IndustriaFIN
Gracias por su atencin