Errores típicos en el diseño y operación de los sistemas de vapor saturado en las plantas industriales

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Errores Típicos en el Diseño y Operación
de los Sistemas de Vapor Saturado en las
Plantas Industriales
Carlos E. Garza
VMX Confiabilidad Integrada SA de CV

¿Qué es el vapor de agua?
El vapor de agua es el gas formado cuando el agua pasa de un
estado liquido a uno gaseoso. A un nivel molecular esto es
cuando las moléculas de H2O logran liberarse de las uniones (ej.
Uniones de hidrógeno) que las mantienen juntas. Estas
moléculas "libres" forman el gas transparente que nosotros
conocemos como vapor, o mas especifico vapor seco.

Vapor Húmedo Vs Vapor Seco
En industrias usuarias de vapor, existen dos términos para el
vapor los cuales son, vapor seco (también conocido como "vapor
saturado") y vapor húmedo.
– Vapor seco aplica a vapor cuando todas sus moléculas permanecen en
estado gaseoso.
– Vapor húmedo aplica cuando una porción de sus moléculas de agua
han cedido su energía (calor latente) y el condensado forma pequeñas
gotas de agua.

El Vapor Saturado como Fuente de
Calentamiento
El calentamiento indirecto de vapor se refiere a los procesos en
donde el vapor no entra en contacto directo con el producto a
calentar. Es ampliamente utilizado en la industria ya que provee
un calentamiento rápido y parejo. Este método generalmente
utiliza un intercambiador de calor para calentar el producto.

Ventajas de Usar Vapor Saturado para
Calentamiento
El vapor saturado tiene varias propiedades que lo hacen una
gran fuente de calor, particularmente a temperaturas de 100 °C
(212°F) y mas elevadas. Algunas de estas son:
Propiedad Ventaja
Calentamiento equilibrado a través de la
transferencia de calor latente y Rapidez
Mejora la productividad y la calidad del
producto
La presión puede controlar la temperatura
La temperatura puede establecerse rápida
y precisamente
Elevado coeficiente de transferencia de
calor
Área de transferencia de calor requerida es
menor, permitiendo la reducción del costo
inicial del equipo
Se origina del agua Limpio, seguro y de bajo costo

Consideraciones al Usar Vapor Saturado
como Fuente de Calentamiento
• La eficiencia de calentamiento se puede ver reducida si se usa un vapor diferente
al vapor seco para los procesos de calentamiento. Contrario a la percepción
común, virtualmente no todo el vapor generado en una caldera es vapor seco, sino
vapor húmedo, el cual contiene algunas moléculas de agua no vaporizadas.
• La perdida de calor por radiación ocasiona que una parte del vapor se condense.
Por lo tanto el vapor húmedo generado se vuelve aun mas húmedo, y también se
forma mas condensado, el cual debe ser removido al instalar trampas de vapor en
las locaciones apropiadas.
• El Condensado, el cual es mas pesado, caerá del flujo de vapor y puede ser
removido a través de piernas de condensado y trampas de vapor. Sin embargo, el
vapor húmedo que es arrastrado reducirá la eficiencia de calentamiento, y deberá
ser removido por medio de estaciones de separación en el punto de uso o en la
distribución.
• El vapor que incurre en perdidas de presión debido a exceso de fricción en la
tubería, etc., podría resultar también en su correspondiente perdida en
temperatura.

La Importancia del Porcentaje de Secado
¿Sabía usted que las calderas no generan vapor 100% saturado (vapor seco)? Cuando una caldera
calienta el agua, las burbujas que rompen la superficie del agua incorporan pequeñas gotitas de
agua en la corriente de vapor. A menos que se use un sobrecalentador, esto causará que el flujo
de vapor esté parcialmente húmedo (vapor húmedo) debido a la presencia de líquido.
Mientras el vapor sea más húmedo, serán menores su volumen, entalpía y entropía específicos
porque al 100% de porcentaje de sequedad se tiene el valor de tablas. Como la sequedad del
vapor tiene un efecto significativo en estos valores, para tener la mayor eficiencia de
calentamiento es crucial suministrar vapor lo más cercano al 100% de sequedad.

La Sequedad del Vapor Disminuye durante
su Distribución
Al transportar el vapor, las pérdidas por radiación de la tubería causan que parte del
vapor pierda su calor latente y se convierta en agua, por tanto, disminuyendo la
sequedad del vapor.
El calor latente contenido en el vapor se libera en el instante en que el vapor se
condensa hacia la fase líquida. La cantidad de calor latente entregado es de 2 - 5 veces
mayor que la cantidad de calor sensible contenido en el agua caliente (agua saturada)
después de la condensación. Este calor latente se libera instantáneamente y se
transfiere por medio del intercambiador de calor al producto que se está calentando.

Las Mejores Practicas para la Remoción de
Condensado en las Líneas Principales
El rol de las líneas de distribución de vapor es el de suministrar de manera
confiable vapor de la mas alta calidad a los equipos usuarios de vapor. Para
que esto se pueda realizar, es necesario remover el condensado de manera
rápida y eficiente por medio de trampas de vapor instaladas en locaciones de
descarga de condensado adecuadas.
Una remoción eficiente de condensado debe de considerar al menos lo
siguiente:
• Cuidadosa selección de la ubicación de las trampas de vapor.
• Proveer un adecuado soporte e inclinación a la tubería de vapor.
• Configurar las piernas de condensado para que permitan la eficiente
remoción de condensado.
• Remover de manera adecuada aire y condensado en los finales de línea.

Ubicación de las Trampas de Vapor
Aun en casos en donde una tubería de distribución de vapor corre en una línea recta,
se deben instalar trampas de vapor al menos cada 30 a 50 metros (100 a 160 pies), y
en la parte inferior de subidas o bajadas en la tubería. También se debe tomar un
cuidado especial para instalar trampas de vapor en cualquier lugar en donde el
condensado pueda acumularse, buscando evitar que el condensado cubra el área
transversal de la tubería, lo que podría ocasionar que el condensado sea propulsado a
gran velocidad.

Ubicación de las Trampas de Vapor
Aun en casos en donde una tubería de distribución de vapor corre en una línea recta, se deben
instalar trampas de vapor al menor cada 30 a 50 metros (100 a 160 pies), y en la parte inferior de
subidas o bajadas en la tubería. También se debe tomar un cuidado especial para instalar trampas
de vapor en cualquier lugar en donde el condensado pueda acumularse, buscando evitar que el
condensado cubra el área transversal de la tubería, lo que podría ocasionar que el condensado
sea propulsado a gran velocidad.

Soportes e Inclinación de la Tubería
Si los soportes de tubería (Ej. Ganchos
para la tubería) son instalados con una
gran distancia entre si, la tubería puede
flexionarse ante su propio peso. Este
tipo de problema puede ocasionar que
el condensado se acumule en lugares
no deseados incluso si la tubería
tuviera una ligera inclinación, por lo
que es importante que:
• Se instalen los soportes de la tubería
en intervalos apropiados, y
• Se establezca una pendiente de la
tubería no menor de 1 a 100.

Pierna o Bota Colectora de Condensado
Los tamaños de las trampas de vapor para aplicaciones aparte de los procesos de
calentamiento o procesos con un rango típico de entre 15 mm (1/2 in) y 25 mm (1in). En
algunos casos, tubería con un diámetro similar al de la trampa de vapor es utilizada para
conectar directamente la trampa de vapor a la línea principal de vapor. Sin embargo, esta
practica no es recomendable en la mayoría de los casos ya que si la línea de vapor es de un
diámetro mayor, existe la posibilidad de que el flujo de condensado a gran velocidad no
pueda entrar en la abertura tan estrecha de la tubería de descarga y siga por la tubería
principal. Por otra parte, una tubería de mayor tamaño, dimensionada de manera
adecuada que recibe el nombre de pierna de condensado (pierna de colección, o bota de
condensados) es típicamente instalada para permitir la descarga eficiente del condensado.
Diámetro Principal
Diámetro de la Pierna de
Condensado
Profundidad de la Pierna />
(Arranque Automático)
50 mm (2 in) 50 mm (2 in) 700 mm (28 in)
100 mm (4 in) 100 mm (4 in) 700 mm (28 in)
250 mm (10 in) 150 mm (6 in) 700 mm (28 in)
500 mm (20 in) 250 mm (10 in) 750 mm (28 in)
Referencia para el Dimensionamiento de Piernas de Condensado

Pierna o Bota Colectora de Condensado

Remoción de Condensado y Aire al Final de
la Línea de Vapor

Líneas de Distribución Aéreas
Desventaja
Ventaja
Cerca de la tubería
Menos calor se
pierde por
medio de la
radiación
Más dicifil de inspeccionar y de
mantener trampas, lo cual puede
llevar a circusntancias en donde
una trampa fallida simplemente es
olvidada
Cerca del suelo
Más facil de
mantener y de
reparar
Mayor pérdida por medio de
radiación debido a que la tubería
de bajada mas larga actúa como
una pequeña extensión de la línea
de vapor. (El aislamiento puede
ayudar a reducir la pérdida de calor
significativamente en casos donde
la operación de la trampa no se
afecte negativamente por el
aislamiento.)

Erosión por Presencia de Condensado

¿Qué es una Trampa de Vapor?
Las trampas de vapor son un tipo de válvula automática que filtra el condensado (es decir
vapor condensado) y gases no condensables como lo es el aire esto sin dejar escapar al
vapor.
Una ‘trampa’ es definida de la siguiente manera de acuerdo con la terminología de válvulas
JIS B 0100:
“Nombre genérico para una válvula autónoma que automáticamente descarga
condensado de equipos, tubería, etc.”
ANSI/FCI 69-1-1989

¿Qué hace una Trampa de Vapor?
En la actualidad, es considerado esencial que una trampa de vapor, como un tipo
de válvula automática, debe tener las 3 características siguientes:
1. Descarga inmediata y completa de condensado
2. No fugar vapor aún cuando se utilice durante largos periodos de tiempo
3. También descargar gases no condensables, como el aire
Dependiendo del tipo de trampa de vapor (principio de operación, construcción,
etc.), estas características tienen sus fortalezas y debilidades relativas. Además, el
modo de operación varía entre los diferentes tipos—existen tipos que descargan
condensado continuamente y tipos que lo hacen de manera intermitente. La
combinación de estos da a cada tipo de trampa de vapor características especiales

¿Se debe de Aislar una Trampa de Vapor?
Como podemos ver en este análisis de
trampas de acuerdo con su categoría,
solamente es aceptable aislar las trampas
tipo flotador sin afectar sus condiciones
operativas. Se debe tener mucho cuidado
con los otros tipos de trampas, ya que el
exceso de aislamiento puede provocar que
el condensado se acumule.
Al mismo tiempo, se debe tener mucho
cuidado con el grupo de trampas que ‘no
deben ser aisladas’ para que no queden
demasiado frías, ya que esto provoca
daños en la válvula de apertura, incluso en
ausencia de condensado, lo que conduce a
grandes pérdidas de vapor.

Efectos de la Contra Presión
En lo que respecta a una trampa o a una válvula, 'contrapresión' es la presión justo después de la
trampa o válvula. En otras palabras, 'contrapresión' es la presión de salida o secundaria de la
trampa o de la válvula. La diferencia entre la presión de entrada (primaria) de la trampa y la
'contrapresión' es la 'presión diferencial' de operación.

Efectos de la Contra Presión
“Cada 1 m de
altura en la
descarga de
una trampa
de vapor se
generan 14.5
PSI de contra
presión.”

Inspección de Trampas de Vapor

Ahorros Potenciales
Trampa Termodinámica Marca Spirax Sarco, Modelo TD-52, Presión de
la Línea 16 Kg/cm2.
El catálogo TI-P068-18 “Purgador Termodinámico para Vapor TD 52”
editado por Spirax Sarco, en su página No. 2, nos da las dimensiones
de la trampa de vapor dependiendo de su tamaño.
Para nuestro interés consideraremos la de ¾”. Obteniendo los
siguientes datos.
La altura de la cámara interior de la trampa de vapor es de .005 m., el
diámetro interior de la cámara es de .035 m.
De estos datos obtenemos que la capacidad en volumen de la cámara
de la trampa de vapor Spirax Sarco Modelo TD 52 de ¾” es de
0.000962 m3. Para las condiciones especificas en que esta trampa
trabaja pierde 0.00825 kg de vapor por cada ciclo

Ahorros Potenciales
Si la trampa en cuestión ciclara 7 veces por minuto, obtenemos lo siguiente.
1 ciclo = 0.00825 kg
7 ciclos = 0.05775 kg de vapor al minuto
Si consideramos 8000 horas de operación al año, obtenemos 480,000 minutos.
480,000 Minutos x 0.05775 kg por Minuto = 27,720 kg de vapor al año.
Por trabajo normal esta trampa pierde 27.72 Toneladas de vapor al año,
considerando un promedio de $22 USD el costo de generación de cada tonelada
de vapor, esa trampa nos cuesta :
$609.84 USD mantenerla en operación cada año
Esta perdida no considera fugas en la trampa, lo que significaría en
este caso especifico perdidas por cerca de 70 toneladas de vapor al
año, es decir cerca de $1,540 USD.

Factores de Éxito
• Comprensión de los sistemas de vapor.
• Entrenamiento de los inspectores.
• Liderazgo adecuado.
• Apoyo de los niveles gerenciales.
• Equipos adecuados para el proyecto.
• Mentalidad enfocada a la calidad de clase
mundial.
• Movimiento proactivo del proyecto a nuevas
áreas de oportunidad mediante la utilización de
tecnologías.

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