El funcionamiento de las trampas FENIX en aplicaciones de carga variable

Transcripción

1 fenix earth inc 1100 NW Loop 410 Suite San Antonio, Texas USA tel El funcionamiento de las trampas FENIX en aplicaciones de carga variable

2 La trampa FENIX y las cargas variables - Cómo funcionan? El siguiente documento fue desarrollado para proporcionar una explicación a un cuestionamiento que generalmente confunde a las personas cuando consideran el uso de la Trampa de Vapor Hidrodinámica FENIX que tiene un venturi, dicha pregunta es Cómo una trampa que tiene un diámetro de orificio determinado, sin partes móviles, puede operar con una carga variable? El siguiente texto explica el funcionamiento de la Trampa Hidrodinámica FENIX y, en particular, cómo es que el vapor flash en la sección del venturi de la Trampa Hidrodinámica FENIX le proporciona una capacidad variable. Por qué utilizar tecnología venturi? Una trampa de orificio simple tiene un rango de operación limitado en cuanto a las cargas variables se refiere. Este tipo de trampa funcionará si la carga es relativamente constante, como por ejemplo en sistemas de distribución. La Trampa Hidrodinámica FENIX funciona al combinar tecnología venturi con la de orificio, por lo que parte de la capacidad de la Trampa Fenix se relaciona con el tamaño de dicho orificio, sin embargo también se relaciona con la contrapresión generada dentro del venturi. Es una combinación en la disminución de presión del otro lado del orificio y la contrapresión generada en el venturi lo que le brinda a la Trampa Hidrodinámica FENIX toda su capacidad. Al tiempo que el condensado pasa a través del orificio de la Trampa FENIX hay una disminución de presión. En el lado de entrada del orificio (del lado del intercambiador de calor o de la línea de vapor) el condensado está a la misma presión y temperatura que el vapor y contiene mucha energía térmica (está caliente). Cuando hay una caída de presión a la salida del orificio, la temperatura y la presión del condensado se reduce, por lo que contiene menos energía. Sin embargo, la energía no puede desaparecer, por lo que la diferencia de energía resultante de la presión y temperatura alta del lado de entrada del orificio, y la baja presión y temperatura del lado de salida (por ejemplo el sistema de retorno de condensado) es convertido en vapor. A mayor diferencia de presión a través de la trampa (lo cual aplica para todo tipo de trampas), mayor parte del condensado se convierte en vapor flash. FENIX utiliza este vapor flash para crear una contrapresión dentro del venturi. Cuando el condensado es forzado a través del orificio de la Trampa Hidrodinámica FENIX por la presión de entrada, la disminución de la presión resultante genera vapor flash. Este vapor flash es 1000 veces el volumen del condensado, por lo que la súbita expansión da como resultado que el condensado se acelere por el venturi de la Trampa Hidrodinámica FENIX. Esta rápida aceleración crea una fuerza o contrapresión igual y contraria dentro del venturi, la cual actúa para restringir el flujo de condensado por el orificio. Debido a que la cantidad de vapor flash cambia dependiendo de las condiciones de operación, genera que la contrapresión resultante también cambie, lo cual regula el flujo de condensado a través de la trampa y por lo tanto le brinda las características necesarias para tener capacidad variable.

3 Arrancado en frío Ésta situación se refiere cuando la planta ha sido parada por algún tiempo. En este caso, toda la tubería está fría, incluyendo los tanques y los intercambiadores de calor. Cuando se enciende por primera vez el vapor, existe una demanda masiva para evacuar el aire del sistema. El aire frío es más denso que el vapor, por lo que el vapor, que es más ligero, se encuentra por encima del aire y lo presiona a través de la trampa. (Por favor, tome en cuenta que por debajo de las condiciones normales de operación, cuando el aire está a la misma temperatura que el vapor, el aire es menos denso, por lo que la única manera de eliminarlo del sistema, es instalando un eliminador de aire en el punto más alto). Una vez que el vapor empieza a entrar en contacto con las superficies frías de los tanques y de los intercambiadores de vapor, se condensa. Debido a la gran diferencia de temperatura entre el vapor y la superficie, la carga de condensado puede llegar a ser 2 o 3 veces más que la carga normal de operación. Sin embargo, el condensado que se forma no está a la temperatura del vapor saturado, de hecho es posible pasar la mano a través de la descarga de condensado de la trampa en el arranque. Ya que la temperatura es menor al punto de ebullición del agua a temperatura atmosférica, como por ejemplo por debajo de los 212 F, no se genera vapor flash dentro del venturi de las trampas. Al no generarse vapor flash, no se produce una contrapresión, lo que causa que la mayor cantidad de condensado pueda fluir a través de la trampa. La capacidad de la Trampa Hidrodinámica FENIX en el arranque en frío es generalmente de 2 a 3 veces más que en las condiciones normales de funcionamiento, lo cual quiere decir que no se requieren válvulas de bypass en el arranque en frío tanto en aplicaciones de baja carga, como en piernas de drenaje y líneas de distribución. La segunda condición es en un arranque normal, así como en un proceso por lotes. En este caso, siempre habrá una pequeña cantidad de precalentado para regresar la temperatura al sistema, pero si el proceso por lotes es frecuente, el proceso de calentamiento es mínimo. También es frecuente que haya una válvula ON/OFF en vez de una válvula de control, la cual se abre en un 100% al iniciar un lote. Durante la fase de calentamiento, el volumen másico del condensado es mayor por la diferencia de temperatura entre el vapor y el producto. Sin embargo, el condensado que se forma es recolectado, por lo que es menor el vapor flash que se genera en el venturi. Una vez que el producto alcanza condiciones estables, el condensado que comienza a llegar a la trampa estará a temperatura de saturación, por lo que habrá menor condensado, pero a temperatura de saturación. Por lo tanto, da como resultado el aumento de vapor flash, que crea un aumento de contrapresión y una retención del flujo de condensado. Ésta será la condición de diseño para la que la trampa está especificada. La última condición es si una aplicación tiene una válvula de control que regula el flujo de vapor a un equipo. En la figura de abajo se muestra un modelo del funcionamiento de una trampa de vapor operando con un intercambiador de vapor. El modelo simula un intercambiador de calor con una superficie de 10 m², el cual calienta el agua de 20 C a 80 C. El modelo simula como se genera el cambio en la variación del vapor flash cuando el flujo másico de agua para ser calentada varía.

4 Condición 1 Operación con carga completa Intercambiador de calor FENIX - Demo Presión de entrada 10 Bar Presión operacional 10.0 Bar Temperatura de entrada 184 C Temperatura operacional 184 C 100% Calor de entrada 2639 kw Flujo de vapor 4750 kg/hr Coef. de trans. de calor 2.0 kw/m2/k Área de condensado 10 m2 fenix earth Temp. entrada 20 C Intercambiador de calor Temp. salida 80 C Pres. salida 10.0 Bar Caudal kg/hr Temp. entrada 184 C Cp 4.20 kjkg/k Calor requerida 2639 kw Presión de entrada Presión óperacional Flujo de vapor Flujo de agua Carga de energía térmica Cond. de descarga Descarga de vapor flash Porcentaje de vapor flash Cond. 1 Cond. 2 Cond. 3 Bar Bar FENIX Trap kg/hr Presión de descarga 0 Bar kg/hr Temp. de descarga 100 C kw Descarga de flujo de condensado 3989 kg/hr kg/hr Descarga de flujo de vapor flash 761 kg/hr kg/hr Porcentaje de vapor flash 16 % % Ésta es la máxima condición de salida para la aplicación. El flujo másico de agua es de kg/hr y es necesario proveerle 2639 kw de energía, lo cual requiere un flujo másico de vapor de 4750 kg/hr a 10 Bar. Por lo tanto, la válvula de control se encuentra completamente abierta. Ésta es la máxima capacidad de salida del equipo y es el punto de referencia para el diseño ideal de la Trampa Hidrodinámica FENIX. Esta será la especificación para el diseño basada en los manuales de Operación y Mantenimiento. Por debajo de estas condiciones, el vapor flash que se genera será de un 16% del flujo másico de condensado, así que en masa esto es igual a un flujo de vapor flash de 761 kg/hr, el cual será el máximo de vapor flash y generará un máximo de contrapresión en el venturi de la trampa.

5 Condición 2 Con carga parcial Intercambiador de calor FENIX - Demo Presión de entrada 10 Bar Presión operacional 5.0 Bar Temperatura de entrada 184 C Temperatura operacional 159 C 50% Calor de entrada 2126 kw Flujo de vapor 3670 kg/hr Coef. de trans. de calor 2.0 kw/m2/k Área de condensado 10 m2 fenix earth Temp. entrada 20 C Intercambiador de calor Temp. salida 80 C Pres. salida 5.0 Bar Caudal kg/hr Temp. entrada 159 C Cp 4.20 kjkg/k Calor requerida 2126 kw Presión de entrada Presión óperacional Flujo de vapor Flujo de agua Carga de energía térmica Cond. de descarga Descarga de vapor flash Porcentaje de vapor flash Cond. 1 Cond. 2 Cond. 3 Bar Bar FENIX Trap kg/hr Presión de descarga 0 Bar kg/hr Temp. de descarga 100 C kw Descarga de flujo de condensado 3261 kg/hr kg/hr Descarga de flujo de vapor flash 408 kg/hr kg/hr Porcentaje de vapor flash 11 % % Si el flujo másico ahora se reduce a kg/hr (para simular una reducción de carga), la demanda de energía se reduce a 2126 kw. Para encontrar esta demanda solamente es necesario para el equipo operar a 5 Bar y el flujo másico del vapor se reducirá a 3670 kg/hr. Por lo que ahora se tiene menor condensado llegando a la trampa (3670 kg/hr) y hay menor presión forzando para que pase a través de esta (5 Bar en vez de 10 Bar), pero debido a que la temperatura del condensado tiene una reducción, la generación de vapor flash es menor. El porcentaje disminuye (ahora es el 11% en lugar del 16%), así como el flujo másico (ahora de 406 kg/hr en vez de 761 kg/hr). La reducción del vapor flash que es generado genera una menor contra presión, así que aunque hay menor presión forzando que el condensado pase por el orificio de la trampa, hay menor contrapresión reteniéndolo.

6 Condición 3 Carga baja Intercambiador de calor FENIX - Demo Presión de entrada 10 Bar Presión operacional 1.0 Bar Temperatura de entrada 184 C Temperatura operacional 121 C 10% Calor de entrada 1323 kw Flujo de vapor 9500 kg/hr Coef. de trans. de calor 2.0 kw/m2/k Área de condensado 10 m2 fenix earth Temp. entrada 20 C Intercambiador de calor Temp. salida 80 C Pres. salida 1.0 Bar Caudal kg/hr Temp. entrada 121 C Cp 4.20 kjkg/k Calor requerida 1323 kw Presión de entrada Presión óperacional Flujo de vapor Flujo de agua Carga de energía térmica Cond. de descarga Descarga de vapor flash Porcentaje de vapor flash Cond. 1 Cond. 2 Cond. 3 Bar Bar FENIX Trap kg/hr Presión de descarga 0 Bar kg/hr Temp. de descarga 100 C kw Descarga de flujo de condensado 2082 kg/hr kg/hr Descarga de flujo de vapor flash 83 kg/hr kg/hr Porcentaje de vapor flash 4 % % Si el flujo del agua al intercambiador de calor se reduce aún más a kg/hr, entonces éste solo tendrá que operar a 1 Bar para mantener los 80 C requeridos. El flujo másico de vapor ahora será de 2156 kg/hr para satisfacer la reducción de demanda de calor de 1323 kw. Por debajo de estas condiciones, solo el 4% del condensado flasheará y el flujo de flash total se reducirá a 83 kg/hr. Entonces, aunque solo hay un poco de presión forzando al condensado a través de la trampa, solo existe muy poca contrapresión en la sección del venturi. Finalmente, la conclusión de todo esto es que de acuerdo a las condiciones de proceso cambia la capacidad de la Trampa Hidrodinámica FENIX. Las características de salida del intercambiador de calor no es lineal, es una curva, la cual empieza en la máxima condición, como por ejemplo el flujo y presión máximas, y regula a cero cuando la válvula de control se cierra completamente. La capacidad de la Trampa Hidrodinámica FENIX es en función del tamaño de la esprea (o el tamaño de orificio) y de las dimensiones de la sección del venturi. Según las leyes de la física, como en el caso del cambio en la cantidad de vapor flash al cambiar la presión, la capacidad de la Trampa Hidrodinámica FENIX puede variar con los cambios de las condiciones de operación. Las

7 dimensiones internas de la Trampa Hidrodinámica FENIX son diseñadas de tal manera que la capacidad de la Trampa FENIX cambie con los cambios de capacidad de la aplicación. Por lo tanto, la Trampa Hidrodinámica FENIX funciona con cargas variables, de mínima a máxima capacidad. El único punto crítico es que es necesario conocer por lo menos un punto en la curva de proceso de la aplicación para poder determinar el tamaño de la Trampa FENIX. Requerimos como guía general conocer las especificaciones de la aplicación con un 20% de confiabilidad. Si en el ejemplo de abajo hubiera un intercambiador de calor de placas y el número de placas fuera el doble para incrementar la capacidad, entonces la superficie sería de 20 m² en vez de 10 m². Intercambiador de calor FENIX - Demo Presión de entrada 10 Bar Presión operacional 10.0 Bar Temperatura de entrada 184 C Temperatura operacional 184 C 100% Calor de entrada 5279 kw Flujo de vapor 9500 kg/hr Coef. de trans. de calor 2.0 kw/m2/k Área de condensado 20 m2 fenix earth Temp. entrada 20 C Intercambiador de calor Temp. salida 80 C Pres. salida 10.0 Bar Caudal kg/hr Temp. entrada 184 C Cp 4.20 kjkg/k Calor requerida 5279 kw Presión de entrada Presión óperacional Flujo de vapor Flujo de agua Carga de energía térmica Cond. de descarga Descarga de vapor flash Porcentaje de vapor flash Cond. 1 Cond. 2 Cond. 3 FENIX Trap Bar 10 Bar 10 kg/hr 9500 Presión de descarga 0 Bar kg/hr Temp. de descarga 100 C kw 5729 Descarga de flujo de condensado 7979 kg/hr kg/hr 7929 Descarga de flujo de vapor flash 1521 kg/hr kg/hr 1521 Porcentaje de vapor flash 16 % % 16 Ahora es posible calentar k/hr de agua a 80 C, entonces el consumo de vapor puede incrementarse a 9500 kg/hr Si esto pasara, sería necesario cambiar la Trampa FENIX, además de que también se tendrían que cambiar las válvulas de control, el tamaño de la tubería, etc. Cuando calculamos el tamaño, solo se presenta un problema si no contamos con la información exacta de diseño del equipo, pero si es mal calculado la primera vez, solo lo cambiamos hasta

8 alcanzar el éxito. En más del 90% de las aplicaciones, tenemos la información suficiente para determinar el tamaño adecuado de la Trampa Hidrodinámica FENIX desde la primera vez. Y una vez que está operando correctamente ya no puede fallar!