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Anegamiento en intercambiadores de calor: estrategias y soluciones efectivas

Wed, 07 Feb 2024 19:49:14 -0600

Los intercambiadores de calor son elementos vitales en numerosos sistemas industriales, sin embargo, un problema recurrente pero intrigante que puede surgir en su funcionamiento es el anegamiento. Este fenómeno, puede diagnosticarse en campo y se refiere a la inundación del intercambiador de calor debido a la incapacidad de drenar el condensado.

La curva de saturación del agua

Esta curva no solo representa la transición del agua al vapor a medida que se calienta, también proporciona una comprensión profunda de cómo la temperatura y la presión están intrínsecamente ligadas en el mundo del vapor.

Dentro de esta curva, se desarrolla un proceso crucial: la transformación gradual del agua en vapor, desde el punto en que se encuentra como líquido puro (punto B) hasta convertirse completamente en vapor (punto C). Este proceso de evaporación y condensación es esencial para el funcionamiento de los intercambiadores de calor, donde el control preciso de la temperatura y la presión es fundamental.

Es esencial comprender que tanto la temperatura como la presión son propiedades interrelacionadas y dependientes del vapor. Esto significa que, si conocemos la temperatura de saturación del agua dentro de la curva, podemos determinar la presión correspondiente, permitiendo predecir y controlar el comportamiento del vapor en el sistema.

Funcionamiento y componentes de los intercambiadores

Los intercambiadores de calor desempeñan un papel crucial en numerosos procesos industriales al facilitar el intercambio de calor entre dos fluidos, siendo uno más caliente que el otro.

En un esquema típico, como el que se muestra a continuación, es cuando el vapor entra por el lado izquierdo del intercambiador, donde se encuentra el intercambiador de placas, el cual constituye el corazón de este sistema. A través de este intercambiador, el vapor cede su calor al fluido secundario más frío que se pretende calentar.

Varios componentes clave, como la válvula de corte, el aislamiento y el filtro, contribuyen al funcionamiento eficiente del intercambiador de calor. Además de la válvula de control, el cual es uno de los elementos de mayor importancia, ya que regula la temperatura del fluido secundario. Esta válvula se ajusta según las necesidades de energía y temperatura, asegurando un intercambio de calor óptimo.

Al reducir la temperatura de entrada del vapor, también disminuiremos su presión, pues el vapor se condensa a una temperatura constante, lo que implica que la temperatura sea similar a la temperatura de condensación. Esta uniformidad en la temperatura nos ayuda a garantizar un funcionamiento eficiente de todo el sistema de intercambio de calor.

El problema del Anegamiento

El anegamiento es una condición que ocurre cuando el intercambiador no puede drenar adecuadamente el condensado, lo que resulta en la acumulación de líquido y la obstrucción del intercambio de calor. Este problema ocurre cuando la presión de entrada a la trampa de vapor es menor que la presión de salida; cabe destacar que una trampa de vapor funciona mediante un diferenciador de presiones y al no abrir debido a este problema causa un bloqueo del condensado.

Es especialmente común en sistemas de intercambiadores de calor en donde existe una modulación de la temperatura, es decir, se ajusta continuamente para satisfacer las necesidades del proceso.

Un caso típico que puede desencadenar el anegamiento es cuando las necesidades del proceso cambian, es decir, si inicialmente se requiere calentar un litro por segundo de agua de 20 a 60 grados, pero luego estas necesidades disminuyen a solo 500 mililitros, se reducirá la energía necesaria y, por ende, se cerrará la válvula de control.

Esto a su vez puede disminuir la temperatura y la presión del vapor a tal punto que la presión de entrada sea menor que la presión de salida, provocando el anegamiento del intercambiador de calor.

En estos puntos, el condensado puede obstruir el sistema, impidiendo su drenaje adecuado y comprometiendo el intercambio de calor, por ello debemos monitorear y ajustar cuidadosamente las condiciones de operación para prevenir el anegamiento y garantizar un rendimiento óptimo.

Desafíos del Anegamiento en intercambiadores de calor: causas, impactos y soluciones

Para la resolución del siguiente caso práctico de anegamiento de calor, el equipo de KINENERGY trabajó en una planta industrial de procesamiento químico en América del Norte, donde el principal problema era un mal funcionamiento en la trampa de vapor por lo que el condensado se acumulaba y estancaba en el intercambiador, comprometiendo su eficiencia.

Para resolver este problema, se llevó a cabo un análisis detallado del sistema. Se midieron las temperaturas y las presiones a diferentes puntos del sistema para identificar el problema, aquí se encontró que las temperaturas a la salida de la válvula de control y a la entrada de la trampa de vapor eran significativamente diferentes, lo que sugería que el vapor no se estaba condensando adecuadamente en el intercambiador.

Medición de la temperatura y presión a diferentes puntos del sistema para la identificación del problema.

Para corroborar el anegamiento, se realizó un experimento de drenaje de condensado, donde se esperaba ver agua pura salir del sistema durante aproximadamente 30 segundos y que posteriormente comenzará a notarse la salida de vapor, sin embargo, esto no ocurrió y lo que se pudo observar fue que solamente salía una gran cantidad de agua durante un período prolongado, esto nos indicó la presencia de condensado estancado en el intercambiador.

La solución propuesta fue reemplazar la trampa de vapor existente por una trampa tipo bomba (si quieres conocer más de cómo seleccionar de manera adecuada una trampa de vapor da clic aquí), la cual puede desalojar el condensado incluso cuando la presión a la entrada es menor que la presión de salida. Este tipo de trampa garantiza un drenaje efectivo del condensado y evita el anegamiento del sistema.

Una vez implementada la solución, se observaron mejoras significativas en el rendimiento del proceso. El intercambiador de calor comenzó a operar de manera más eficiente, con menos ciclos y en menos tiempo, lo que resultó en un menor consumo de energía y una mayor satisfacción de las necesidades del proceso.

Al identificar y resolver el problema del anegamiento en el sistema de intercambiadores de calor, se logró mejorar la eficiencia operativa y reducir el consumo de energía, lo que condujo a beneficios significativos para el proceso industrial.

En resumen, el anegamiento en los intercambiadores de calor representa un obstáculo considerable para la eficiencia y la productividad en los procesos industriales. No obstante, con el enfoque adecuado y las soluciones precisas, este desafío puede ser abordado con éxito.

En KINENERGY, estamos comprometidos a proporcionar diagnósticos precisos y soluciones efectivas para ayudar a nuestros clientes a enfrentar estos desafíos y optimizar sus operaciones.

¡Déjanos tus datos y descubre cómo podemos colaborar en la mejora de tus procesos industriales!

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Horacio Amador

Ingeniero en Energía Jr.

Horacio cuenta con más de dos años de experiencia en el sector de consultoría energética, se ha desempeñado en áreas de ventas e ingeniería. Asimismo, ha colaborado en la ejecución de diagnósticos energéticos y en la evaluación de proyectos de eficiencia energética en los sectores industrial y comercial

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¿Cómo seleccionar de manera adecuada una trampa de vapor?

Tue, 09 May 2023 12:01:03 -0600

Dentro de los sistemas de vapor, en donde se busca calentar, es de vital importancia que el intercambio de vapor se dé con vapor seco. Durante el intercambio de calor, el vapor comienza a generar condensado de forma constante. Este condensado debe ser removido del sistema de forma eficiente y sin dejar escapar el vapor, para este propósito existen las trampas de vapor y las bombas de condensado.

Una trampa de vapor es un mecanismo que desaloja el condensado de manera automática y sin pérdida de vapor. Podemos verla como una válvula inteligente que cuando ve vapor se cierra para mantenerlo adentro del sistema y cuando ve condensado abre para desalojarlo. Para que la trampa funcione debe existir un diferencial de presión positivo del sistema con vapor hacia la línea de condensado; cuando no hay una presión diferencial entre el proceso y la línea de condensado que permita el desalojo del condensado es necesario colocar algún sistema de bombeo.

Para abrir o cerrar en las situaciones correctas, la trampa debe “detectar” cuando hay vapor y cuando hay condensado. Para esto se usan las diferencias físicas de estos fluidos.

Densidad: El condensado es mucho más denso que el vapor (cientos o miles de veces, dependiendo de la temperatura). A partir de esta diferencia funcionan las trampas mecánicas de flotador y de cubeta invertida.
Temperatura: El vapor mantiene su temperatura constante, mientras la presión se mantenga. El condensado va disminuyendo su temperatura, esto es utilizado por las trampas termostáticas de disco, bimetálicas o de presión balanceada.
Hidrodinámica: Las propiedades de viscosidad, turbulencia, comprensibilidad, fricción, arrastre, etc., son muy diferentes para el vapor y el condensado, creando femémonos dinámicos diferentes en circunstancias similares. Este es el principio de funcionamiento de las trampas termodinámicas.

Ahora explicaremos los distintos tipos de trampa que existen y su aplicación.

Trampas de flotador

Están compuestas de un flotador conectado a un obturador de válvula. Cuando hay condensado, el flotador sube y abre la válvula, cuando no hay condensado el flotador baja y cierra la válvula. Es una trampa muy eficiente que saca el condensado casi de manera inmediata. Puede trabajar con baja presión diferencial y tiene gran capacidad de desalojo. La mayor desventaja que tiene es su mantenimiento, pues es complicado, además que el mecanismo es frágil comparado con otros modelos de trampas.

Estas trampas no desalojan aire en la línea por sí mismas, pero se les puede integrar un eliminador de aire para que cumpla esta función.

La recomendación de uso es en procesos de flujo continuo y presión diferencial constante. No se recomienda usar en líneas de distribución, vapor limpio o procesos sin presión diferencial (condensado subenfriado).

Trampas de cubeta invertida

Funcionan con una cubeta invertida conectada al obturador de una válvula. Cuando se llena de condensado la cubeta se hunde y la válvula se abre, permitiendo el flujo del condensado, mientras que cuando llega vapor a la trampa la cubeta sube y al flotar cierra la válvula. Este tipo de trampas tienen una fuga controlada para evitar que el vapor acumulado cree una burbuja que evite el paso del condensado.

Estas trampas son menos eficientes que las de flotador, pero resisten mejor condiciones adversas como golpes de ariete o corrosión.

Se recomienda utilizarlas en procesos continuos, con presión diferencial constante y condiciones que requieran alta resistencia. No sé recomiendan en procesos con aire en la línea, con baja presión diferencial o condiciones que no requieran alta resistencia.

Trampas termostáticas

Estas trampas tienen algún elemento que se expande con el calor, lo que abre o cierra el obturador de la válvula. Cuando reciben condensado frío, el elemento de expansión se contrae, la válvula se abre y permite el paso del condensado. Cuando llega vapor, este calienta el elemento expansor haciendo que se expanda, cierra la válvula y no permite que el vapor salga.

Por lo regular son poco eficientes, pues tienen que esperar a que el condensado se enfríe de 10°C a 20°C para poder abrir. Por su diseño son ideales para vapor limpio, pueden trabajar a presiones altas, no requieren mantenimiento y pueden eliminar el aire.

Se recomienda usarlas en procesos que requieran tener un poco de condensado, trazas de vapor largas, vapor limpio, eliminadores de aire y sistemas de vapor sobrecalentado. No se recomienda usar en procesos que requieren estar secos de manera instantánea.

Trampas termodinámicas

Estas trampas tienen un disco que se abre cuando el fluido es condensado y se cierra cuando es vapor, debido a efectos hidrodinámicos. Después de esto queda un sello de vapor en la parte superior del disco que evita que se vuelva a abrir hasta que se enfríe el condensado.

Tienen la ventaja de ser de bajo mantenimiento, resistentes a condiciones de golpe de ariete y a trabajar con presiones altas. La desventaja es que requieren una presión diferencial alta para funcionar y que son sensibles a la corrosión.

Se recomienda colocarlas en líneas de distribución; es preferible evitarlas en procesos que deban mantenerse secos.

Bombas y bombas trampa

Son mecanismos que funcionan con una fuerza externa para desplazar el condensado del punto de uso a casa caldera. En este documento no se habla a detalle de estos equipos, pero podrás encontrar información más a detalle en futuras entradas.

Estas bombas o bombas trampa deben colocarse cuando el condensado sale sin presión suficiente para vencer la presión de la línea del condensado.

Realizar una adecuada selección de una trampa de vapor permitirá que nuestros sistemas de vapor sean confiables y eficientes. ¿Necesitas ayuda con tus sistemas de vapor? Nosotros podemos ayudarte. ¡Escríbenos!