La fracción de sequedad que define la calidad del vapor
Una instalación de teñido a alta-temperatura que opera una máquina de teñido por haz presurizado a 130 grados recibe vapor de una caldera central a 8 bar, lo que proporciona una temperatura saturada de 170 grados. El vapor se distribuye a través de una red de tuberías que incluye varios cientos de metros de tuberías, múltiples válvulas y aislamientos que pueden estar dañados o faltar.
La calidad del vapor a la salida de la caldera suele ser de 0,98 a 0,99. A medida que el vapor viaja a través de la red de tuberías, pierde calor al medio ambiente y parte del vapor se condensa. El condensado es arrastrado junto con el vapor en forma de gotas arrastradas y la fracción de sequedad disminuye. En la entrada del intercambiador de calor, la fracción de sequedad puede ser de 0,92 a 0,96, según la longitud de la tubería y las condiciones de aislamiento.
Las gotas de condensado arrastradas afectan la transferencia de calor de dos maneras. Las gotas inciden en la superficie del tubo y provocan un enfriamiento localizado, lo que genera estrés térmico. Las gotas también reducen el calor latente efectivo del vapor, porque la porción líquida no libera calor latente cuando se condensa más. El resultado es una menor tasa de transferencia de calor y un mayor consumo de vapor para la misma carga de calor.
El efecto de transferencia de calor de la fracción de sequedad
El coeficiente de transferencia de calor en el lado del vapor depende del mecanismo de condensación. Con vapor seco, la condensación se produce en forma de película y el coeficiente de transferencia de calor es alto, normalmente entre 5.000 y 10.000 W/m²·K. Con el vapor húmedo, las gotas arrastradas alteran la película de condensado y crean un régimen de transferencia de calor más complejo. El coeficiente de transferencia de calor es más bajo, normalmente entre 3.000 y 6.000 W/m²·K.
El coeficiente más bajo de la película del lado del vapor-aumenta la resistencia térmica general y reduce el coeficiente general de transferencia de calor. Para un intercambiador de calor de PTFE con una resistencia de la pared del tubo de 0,0032 m²·K/W y un coeficiente de película del lado del proceso-de 1000 W/m²·K, el coeficiente general con vapor seco es de aproximadamente 230 W/m²·K. Con vapor húmedo, el coeficiente global cae a aproximadamente 210 W/m²·K, una reducción del 9%.
La reducción del coeficiente general requiere un mayor caudal de vapor o una mayor temperatura del vapor para entregar la misma carga de calor. El mayor caudal de vapor aumenta el consumo de vapor y el coste operativo.
El riesgo de golpe de ariete con una fracción de sequedad baja
El golpe de ariete es la consecuencia más grave de la baja calidad del vapor. Cuando la fracción de sequedad cae por debajo de 0,90, el condensado arrastrado puede acumularse en los puntos bajos de las tuberías y del intercambiador de calor. Cuando aumenta la velocidad del vapor, el condensado acumulado es empujado a través del sistema a alta velocidad y golpea la placa del tubo, los soportes del tubo y los extremos del tubo.
La fuerza del impacto puede ser varias veces la presión estática del vapor y puede causar daños mecánicos a los componentes de PTFE. Las uniones de tubo-a-placa tubular son particularmente vulnerables porque son los lugares donde los tubos están restringidos y la concentración de tensión es más alta.
En el servicio de teñido a alta-temperatura, el riesgo de golpe de ariete aumenta por el funcionamiento intermitente de las máquinas de teñido. Cuando se pone en marcha una máquina, la válvula de vapor se abre rápidamente y la velocidad del vapor aumenta repentinamente. El aumento repentino de la velocidad puede empujar el condensado acumulado a través del intercambiador de calor y provocar golpes de ariete.
El efecto de degradación de la pared del tubo
Las gotas de condensado también afectan la tasa de degradación de la pared del tubo. Las gotas inciden en la superficie del tubo y provocan un enfriamiento localizado, lo que genera estrés térmico. Los ciclos térmicos repetidos debido al impacto de las gotas pueden causar grietas por fatiga en la pared del tubo de PTFE.
El impacto también elimina la capa protectora de condensado que normalmente cubre la superficie del tubo. La eliminación de la capa de condensado expone el PTFE al vapor y a la química del condensado, que puede contener especies corrosivas procedentes del tratamiento del agua de la caldera.
La tasa de degradación aumenta con la carga de condensado. Una fracción de sequedad de 0,95 produce una tasa de degradación más alta que una fracción de sequedad de 0,98, siendo todos los demás factores iguales.
Cuantificación del efecto de la fracción de sequedad en el rendimiento
La siguiente tabla resume el rendimiento de la transferencia de calor y el riesgo de golpe de ariete en diferentes fracciones de sequedad para un intercambiador de calor de PTFE en un servicio de teñido a alta-temperatura a 130 grados con vapor a 8 bar.
| Fracción de sequedad | Vapor-Coeficiente de película lateral | Coeficiente general | Aumento del consumo de vapor | Riesgo de golpe de ariete | Tasa de degradación de la pared del tubo |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.99 | 8,000 W/m²·K | 235 W/m²·K | Base | muy bajo | muy bajo |
| 0.97 | 6,500 W/m²·K | 225 W/m²·K | +4% | Bajo | Bajo |
| 0.95 | 5,000 W/m²·K | 210 W/m²·K | +12% | Moderado | Moderado |
| 0.92 | 3,800 W/m²·K | 195 W/m²·K | +21% | Alto | Alto |
| 0.90 | 3,000 W/m²·K | 180 W/m²·K | +31% | muy alto | muy alto |
| 0.85 | 2,200 W/m²·K | 160 W/m²·K | +47% | Extremo | Extremo |
El aumento en el consumo de vapor es el flujo de vapor adicional requerido para entregar la misma carga de calor en comparación con el caso de una fracción de sequedad de 0,99. El riesgo de golpe de ariete y la tasa de degradación de la pared del tubo son evaluaciones cualitativas basadas en la carga de condensado y la energía de impacto.
Características de diseño que mitigan la baja calidad del vapor
Varias características de diseño mitigan los efectos de la baja calidad del vapor.
Separador de vapor.Un separador de vapor instalado delante del intercambiador de calor elimina las gotas de condensado arrastradas y aumenta la fracción de sequedad. El separador suele ser un dispositivo de tipo centrífugo o deflector-que tiene el tamaño adecuado para el caudal de vapor.
Trampa de vapor.Una trampa de vapor del tamaño adecuado en la salida del intercambiador de calor elimina el condensado que se acumula en la carcasa. La trampa debe dimensionarse para la carga de condensado en la fracción de sequedad más baja.
Drenaje por gravedad.El intercambiador de calor debe instalarse con una pendiente continua hacia abajo desde la entrada de vapor hasta la salida de condensado. Deben evitarse los puntos bajos donde se pueda acumular condensación.
Placa de impacto.Una placa de impacto opuesta a la entrada de vapor absorbe el impacto del chorro de vapor y las gotas arrastradas. La placa protege la placa del tubo y los extremos del tubo contra daños por golpes de ariete.
Tuberías aisladas.Aislar la tubería de vapor reduce la pérdida de calor y la tasa de condensación. El aislamiento debe mantenerse en buenas condiciones para minimizar la reducción de la fracción de sequedad.
Apertura lenta de la válvula de vapor.Abrir la válvula de vapor lentamente al inicio-reduce el aumento de la velocidad del vapor y el riesgo de golpe de ariete. Se recomienda una válvula de apertura lenta-o un dispositivo de derivación para el calentamiento-.
Comparación de opciones de control de calidad del vapor
La siguiente tabla resume la efectividad y el costo de diferentes opciones de control de calidad del vapor para un intercambiador de calor de PTFE en un servicio de teñido a alta-temperatura.
| Opción de control | Mejora de la fracción de sequedad | Costo de capital | Costo operativo anual | Reducción del riesgo de golpe de ariete | Período de recuperación |
|---|---|---|---|---|---|
| sin control | Base | $0 | $0 | Base | No aplicable |
| Separador de vapor | +0.03 a +0.05 | $8,000–15,000 | $500–1,000 | 60–80% | 12 a 24 meses |
| Aislamiento mejorado | +0.02 a +0.04 | $5,000–12,000 | $200–500 | 40–60% | 12 a 36 meses |
| Drenaje por gravedad | +0.01 a +0.02 | $2,000–5,000 | $0 | 30–50% | 6 a 18 meses |
| Placa de impacto | Sin cambios | $1,500–3,000 | $0 | 50–70% | 6 a 12 meses |
| Válvula de apertura-lenta | Sin cambios | $1,000–2,500 | $0 | 40–60% | 3 a 9 meses |
| Separador y aislamiento combinados. | +0.05 a +0.08 | $12,000–25,000 | $700–1,500 | 80–95% | 12 a 30 meses |
El período de recuperación se calcula en función de la reducción del consumo de vapor y la reducción del riesgo de golpe de ariete. La opción combinada de separador y aislamiento proporciona la mayor mejora y el período de recuperación más corto en la mayoría de las aplicaciones.
Parámetros de especificación para el servicio de teñido a alta-temperatura
Los ingenieros de equipos que especifican un intercambiador de calor de PTFE para el servicio de teñido a alta-temperatura deben confirmar los siguientes parámetros con el proveedor.
Presión y temperatura del vapor.Especifique la presión del suministro de vapor y la temperatura de saturación.
Fracción de sequedad al vapor.Especifique la fracción de sequedad esperada en la entrada del intercambiador de calor.
Caudal de vapor.Especifique el caudal de vapor de diseño y el rango esperado.
Carga de calor.Especifique la carga de calor y el rango esperado.
Separador de vapor.Especifique si se proporciona un separador de vapor y la mejora requerida de la fracción de sequedad.
Trampa de vapor.Especifique el tipo de trampa de vapor y los criterios de tamaño.
Drenaje por gravedad.Especifique la orientación del intercambiador de calor y la ruta de drenaje.
Placa de impacto.Especifique si se proporciona una placa de impacto.
Aislamiento.Especifique los requisitos de aislamiento para las tuberías de vapor.
Adaptación de la calidad del vapor al diseño del intercambiador de calor
La calidad del vapor afecta el rendimiento de la transferencia de calor, el riesgo de golpe de ariete y la tasa de degradación de la pared del tubo en un intercambiador de calor de PTFE para un servicio de teñido a alta-temperatura. Una fracción de sequedad inferior a 0,95 aumenta el consumo de vapor en más de un 12% y aumenta el riesgo de golpe de ariete. Una fracción de sequedad inferior a 0,90 aumenta el consumo de vapor en más de un 31% y crea un riesgo extremo de golpe de ariete.
La fracción de sequedad debe mantenerse por encima de 0,95 mediante una combinación de separación de vapor, aislamiento y drenaje por gravedad. El separador de vapor es la medida más eficaz y normalmente amortiza su coste de capital en un plazo de 12 a 24 meses mediante un menor consumo de vapor y un menor mantenimiento.
Para las instalaciones de teñido a alta-temperatura que evalúan opciones de intercambiadores de calor de PTFE, la calidad del vapor debe especificarse en los documentos de adquisición y verificarse en la puesta en servicio. Es posible que la configuración predeterminada proporcionada por el fabricante no incluya disposiciones para la baja calidad del vapor, y el daño resultante del golpe de ariete puede causar fallas prematuras.
Los ingenieros de equipos y los especialistas en adquisiciones que evalúan las especificaciones de los intercambiadores de calor de PTFE para -teñido a alta temperatura u otros servicios-calentados con vapor pueden solicitar una revisión del diseño que cubra la presión del vapor, la fracción de sequedad del vapor, el caudal de vapor, la carga de calor y las disposiciones de control de calidad del vapor para confirmar que la unidad coincide con las condiciones reales del vapor y el perfil operativo de la instalación.
