almacenamiento de energía en instalaciones térmicas...

ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA EN

INSTALACIONES TÉRMICAS INDUSTRIALES:

ANÁLISIS DEL ACUMULADOR DE VAPOR.

INGENIERÍA INDUSTRIAL

PROYECTO FIN DE CARRERA

AUTOR: JORGE RUEDA QUINTANILLA

TUTOR: JOSÉ JULIO GUERRA MACHO

SEVILLA, JUNIO 2014.

Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla Jorge Rueda Quintanilla

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ÍNDICE

Capítulo 1. Introducción, objetivos y funciones de un acumulador

de vapor 4

1.1 Objetivo 4

1.2 Introducción 4

Capítulo 2. Descripción y funcionamiento del acumulador de

vapor 8

2.1 Concepto de acumulador de vapor 8

2.2 Evolución de los acumuladores de vapor 9

2.3 Tipología y criterios de selección 12

2.4 Esquema del acumulador: descripción y función de cada componente 17

2.4.1 Recipiente presurizado 17

2.4.2 Equipo de inyección de vapor 18

2.4.3 Tuberías 21

2.4.4 Válvulas de mantenimiento de presión 22

2.4.5 Válvulas reductoras de presión 22

2.4.6 Rompedores de vacío 26

2.4.7 Válvulas antirretorno 28

2.4.8 Válvulas de seguridad 30

2.4.9 Otros accesorios: termómetro, mirilla y manómetro 32

2.5 Disposiciones típicas de acumuladores de vapor 32

2.6 Esquemas de control 36

Capítulo 3. Fabricantes, normativa y dimensionado 38

3.1 Principales fabricantes 38

3.2 Normativa 52

3.3 Dimensionado 53

3.3.1 Introducción al dimensionado 53


3

3.3.2 Datos de partida 54

3.3.3 Caso real de dimensionado de una instalación 55

Capítulo 4. Resumen y conclusiones 74

Anexos 76

Anexo A. Inyectores de vapor para uso industrial 76

Anexo B. Tuberías para uso industrial 78

Anexo C. Válvulas reductoras de presión para uso industrial 80

Anexo D. Rompedores de vacío para uso industrial 84

Anexo E. Válvulas de retención de disco para uso industrial 86

Anexo F. Válvulas de seguridad para uso industrial 93

Anexo G. Propiedades del agua saturada (líquido-vapor) 95

Anexo H. Cálculo de evolución de temperaturas en el segundo ciclo de carga

con el software Matlab 96

Referencias 97


4

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN, OBJETIVOS Y FUNCIONES DE UN ACUMULADOR

DE VAPOR.

1.1. OBJETIVO.

El objeto del siguiente proyecto es realizar un estudio exhaustivo de un elemento

de una instalación industrial como es el acumulador de vapor.

Desde un punto de vista académico abordaremos la necesidad de instalación de un

acumulador, los tipos que existen y las disposiciones en las que se colocan los

acumuladores en una instalación, su funcionamiento y dimensionado tanto del

acumulador como de los diferentes accesorios que conforman el acumulador de

vapor y los fabricantes y opciones existentes en el mercado.

1.2. INTRODUCCIÓN.

El uso de vapor en la industria nos proporciona una forma ideal de entregar

justamente la cantidad necesaria de energía en forma de calor para un uso

concreto, en la Figura 1 podemos observar el tipo de vapor más utilizado en las

diferentes industrias. Es habitual que la demanda de vapor de una fábrica no sea

constante, variando de formas muy diferentes, habrá casos en las que estas

variaciones se produzcan bruscamente y por lo tanto haya grandes diferencias de

consumo en intervalos cortos de tiempo.

Figura 1: Tipo de vapor utilizado en la industria.


5

El tipo y tamaño de las fluctuaciones en el consumo de vapor, dependerán de la

aplicación y del tipo de industria en la que se trabaje con el vapor. Los picos de

demanda podrán ocurrir una vez a la semana, una vez al día durante el arranque o

sucesivas veces a lo largo del día.

Los mayores problemas asociados a picos de demanda vienen normalmente

relacionados con plantas de producción con cargas intermitentes, principalmente:

Industrias cerveceras.

Industrias textiles.

Industrias de limpieza en seco.

Industrias de enlatado y conservas.

Áreas específicas de las industrias de fabricación de acero.

Industrias de fabricación de bloques de hormigón.

Alternativamente también se pueden tener ciclos de carga que consistan en picos

de duración pequeña pero con muy altas necesidades de flujo instantáneo en

industrias como:

Hospitales e industrias de esterilización.

Aplicaciones de descascarillado con vapor.

Industrias plásticas o de moldeado de poliestireno.

Industrias de producción de caúcho.

El resultado de una demanda repentina en una caldera es una caída de presión en

la propia caldera, debido a que la caldera y su equipo de combustión asociado sean

incapaces de generar vapor al nivel que se le exige.

Los picos de demanda y sus consecuentes caídas de presión pueden tener serias

consecuencias en la producción de la fábrica.

Lo peor que puede ocurrir es un bloqueo de la caldera, debido a la elevación del

nivel del agua causada por una rápida ebullición, seguida de su colapso. Esto se ve

como una alarma de bajo nivel de agua por los sistemas de control.

En los casos más favorables, las variaciones súbitas en la demanda causaran que el

vapor producido sea húmedo y contaminado. Esto, junto a la caída de presión

asociada puede llevarnos a:

Incrementos de tiempos de los procesos.

Una reducción de la calidad del producto o incluso daños en éste o pérdida

del producto.


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Se puedan producir golpes de ariete que causen daños a las tuberías, a los

diferentes accesorios o incluso daños personales.

En cuanto a la planta en sí, las variaciones súbitas en la demanda son responsables

de:

Un incremento del nivel de mantenimiento.

Una reducción en la vida útil de la caldera.

También es muy importante el efecto que causan dichas variaciones de demanda

en el rendimiento de la planta, ya que esté disminuirá debido a:

Perturbaciones en la combustión.

Falsos niveles de agua que lleven a una parada en la bomba o en el

quemador.

Arrastre de agua con el vapor y consiguientes problemas por formación de

depósitos de sales en el recalentador que pueden provocar fallos en los

tubos al alcanzar éstos temperaturas elevadas.

Desequilibrio entre el calor aportado por el combustible y la presión del

vapor que se traducen en mayor consumo de combustible y problemas en

proceso por alta o baja presión.

Necesidad de sobredimensionar la caldera o de instalar más calderas para

absorber las puntas de demandas.

Disminución del rendimiento de las calderas al no mantenerlas trabajando a

la carga de óptimo rendimiento.

Los problemas comentados anteriormente se agravan si se tiene en cuenta que al

producirse estas puntas en las demandas de vapor, la instalación va a tender a

reaccionar de tal forma que acentuará dicho pico de demanda.

Cuando las variaciones no sean tan bruscas los efectos comentados anteriormente

serán menores, pero en ninguno de los casos totalmente insignificantes.

Por estos motivos estará totalmente justificada la existencia de algún tipo de

dispositivo industrial que nos permita poder acumular el vapor en momentos en

los que la demanda sea menor, para poder utilizarlo en momentos en los que haya

un incremento de la demanda y no tener que sobredimensionar así la caldera . Así

el vapor se acumulará en un dispositivo conocido como acumulador de vapor, de

forma que cuando la demanda sea más baja que la media de demanda, se pueda

acumular el vapor sobrante para poder satisfacer picos de sobredemanda, como

podemos ver en la Figura 2.

No obstante, debido a que la densidad volumétrica del vapor saturado es

extremadamente baja (por ejemplo, a 5 bares el vapor saturado tiene un volumen


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específico de 0,3749 /kg, que es unas 343 veces mayor que el volumen

específico del líquido saturado a la misma temperatura de 151,9 °C), en vez de

almacenar vapor saturado o sobrecalentado directamente producido por la caldera

de vapor, el vapor se almacenará en forma de agua en un recipiente que será el

conocido como acumulador de vapor.

Figura 2: Evolución demanda de vapor en una instalación con acumulador de vapor.

Se suele pensar que los acumuladores de vapor son algún tipo de reliquias del

pasado con poca aplicación en la industria actual, a lo largo de este proyecto

desterraremos esta idea, ilustrando como un acumulador de vapor puede mejorar

el funcionamiento de una planta moderna y exponiendo los factores por los que se

hacen cada día más fundamentales la existencia de acumuladores de vapor en la

industria.


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CAPÍTULO 2: DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL ACUMULADOR DE VAPOR

2.1. CONCEPTO DE ACUMULADOR DE VAPOR.

El propósito principal del acumulador de vapor es el de proveer una capacidad

extra de energía en plantas que utilizan vapor para enfrentarse a una demanda

repentina o a una sobrecarga puntual y la de maximizar la energía disponible en la

instalación.

La idea fundamental es la de dotar a la planta de un recipiente, separado de la

caldera, parcialmente relleno con agua, en el cuál el vapor a alta presión pueda ser

entregado, o retirado cuando la demanda en la planta se aleje de la capacidad de la

caldera.

El vapor a alta presión se suministra al acumulador, dónde aporta calor y presuriza

el agua presente en el acumulador de vapor. Cuando una demanda de vapor en el

proceso excede la capacidad de suministro de vapor de la caldera, el vapor extra

necesario puede ser suministrado por el acumulador, hasta que la demanda se

vuelva a equiparar con la cantidad de vapor producida en la caldera. De esta forma

podremos evitar sobredimensionar la caldera de nuestra instalación evitando

desperdiciar energía térmica y trabajando con rendimientos óptimos de la caldera.

Así podemos definir el acumulador de vapor como un recipiente a presión,

parcialmente relleno con agua caliente que permite a la caldera trabajar dando un

suministro de vapor que sea igual al valor medio de la demanda del sistema. Para

poder usar un acumulador de vapor deberá haber cierta demanda de vapor en los

procesos a una presión significantemente menor que la presión a la que se produce

el vapor en la caldera, también se deberá cumplir que la presión máxima de

demanda de los diferentes procesos sea inferior a la presión de producción del

vapor en la caldera.

Un acumulador de vapor es, esencialmente, una extensión de la capacidad de

almacenamiento de la caldera. Cuando la demanda de la planta sea baja, y la

caldera sea por tanto capaz de producir más vapor que el que se requiere en el

consumo, el vapor sobrante se inyectará en una masa de agua caliente almacenada

a presión. Después de un cierto período de tiempo, el agua almacenada habrá

incrementado su temperatura hasta alcanzar la temperatura de saturación en la

que la caldera está trabajando.

Cuando el vapor es sometido a ciclos regulares o a variaciones predecibles, la carga

puede ser equilibrada durante horas o incluso días. En cualquier caso, contando

con un acumulador de vapor, habrá una carga más estable en nuestra instalación,

las pérdidas se reducirán y se lograrán ahorros en la utilización del combustible.

Así, el almacenamiento de vapor en un acumulador actúa como una herramienta

adicional que asegura que el suministro de vapor sea el adecuado y el más eficiente


9

en todo momento. Más aún, puede convertir la demanda de vapor más

desfavorable en una más favorable con un consumo de vapor estable (Goldstern,

1970). Goldstern (1970) informa de que un adecuado tamaño de la instalación

acumuladora es capaz de introducir una conexión elástica entre el generador de

vapor y los consumidores. El acumulador de vapor podrá encargarse de las

repentinas variaciones de carga en el consumo, consecuentemente, la generación

de vapor en la caldera podrá ser uniforme y mantenerse constante para amplios

intervalos.

Un acumulador de vapor también ayudará a la explotación económica de la planta,

ya que se podrá cargar el acumulador durante fases del día en las que el precio de

la electricidad sea más barato para poder utilizarlo en fases del día en el que la

electricidad tenga un precio más elevado.

El acumulador debe estar completamente cargado al principio del período de

descarga con el fin de operar correctamente. Para que esto ocurra, deben

satisfacerse las siguientes especificaciones:

Debe haber disponible suficiente tiempo entre el final de un periodo de

carga y el comienzo del siguiente para poder restablecer el agua

almacenada en el acumulador.

La demanda media de vapor debe ser menor que la capacidad del generador

de vapor.

Otros criterios también son importantes para garantizar que el acumulador tiene

capacidad suficiente:

Debe haber suficiente agua acumulada para proporcionar la cantidad

requerida de vapor flash durante el periodo de descarga. Esto se cumple

asegurando que el volumen del acumulador es el adecuado.

Los ratios más altos de dispersión de vapor producen vapor húmedo. La

velocidad a la que el vapor flash es dispersado de la superficie del agua debe

ser inferior a un determinado valor. Este hecho se satisface asegurando que

el área de la superficie del agua es suficientemente grande, lo cual depende

del tamaño del acumulador.

La capacidad de evaporación debe ser suficiente. Esto depende de la

presión a la cual el agua es almacenada cuando se carga por completo, y de

la mínima presión a la que el acumulador opera al final del proceso de

descarga (presión de diseño del acumulador). Cuanto más grande sea la

diferencia entre estas dos presiones, más vapor flash se producirá.

2.2. EVOLUCIÓN ACUMULADORES DE VAPOR

El primer acumulador de vapor fue instalado para recuperar el vapor

desperdiciado utilizado en máquinas embobinadoras (Goldstern, 1970). El


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principio de acumulación de vapor utilizado en este sistema se limitaba a rangos

de presiones de hasta 2 bares y aún no se había incorporado la regulación

automática.

El doctor Johannes Ruths aplica el mismo principio de almacenamiento de vapor

para presiones más altas e incorpora operaciones automáticas en la década de

1920 (Ruths, 1928).

Para mostrar la idea, veamos en la Figura 3 un diagrama simple de una instalación

montada en una fábrica de pasta de papel.

Figura 3: Esquema instalación con acumulador de Ruth.

En esta instalación, el acumulador se conecta al sistema de tuberías que salen de la

caldera por medio de una única línea de vapor en la que hay una válvula

reguladora, V1; dicha válvula es una válvula compuesta, controlada por la presión

de la salida de la caldera y cuya misión es la de mantener constante la presión del

vapor que sale de está.

Conectada a esta tubería que sale de la caldera, se encuentra otra que se usa para

admitir el vapor en el acumulador, para almacenarlo y para sacarla del acumulador

para su uso.

La tubería de alimentación al acumulador, que trae el vapor a la presión de la que

sale de la caldera, dispone de una válvula de control de una sola dirección

conectada a las tuberías de distribución y a los inyectores con los que se alimenta

el vapor al acumulador.


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El vapor acumulado en la zona más alta del acumulador, podrá pasar a través de la

válvula de control de una única dirección que se encuentra a la derecha para

alimentar a la línea de baja presión que alimenta a los distintos procesos.

Una válvula reductora de presión, V2, se encuentra en esta línea para reducir la

presión del vapor de salida del acumulador a la presión requerida en el proceso y

mantenerla constante.

Si en algún momento la cantidad de vapor que es generada por la caldera es la

misma que la demandada, todo el vapor usado en la línea de baja pasará a través

de las válvulas V1 y V2, y ninguna pasará a través del acumulador o saldrá de él.

Si en cambio se necesitará más vapor en la línea de consumo de alta presión, la

caída resultante de presión causaría que la válvula reguladora V1 redujera el

suministro de vapor que pasa por ella, manteniendo la presión en la tubería

principal de vapor y disminuyendo la cantidad de vapor que pasa a la línea del

acumulador.

La caída de presión en la línea del acumulador, permitiría a la válvula de control de

la parte superior del acumulador abrirse y el vapor que se evaporase será

entregado a la línea de baja presión a través de la válvula V2, y así el pico de

demanda originado en la línea de alta presión sería equilibrado por el aporte del

acumulador de vapor.

Si en cambio, el consumo en la línea de alta presión se redujera, el exceso de vapor

pasaría automáticamente a la línea del acumulador a través de la válvula V1. Esto

significaría un aumento de la cantidad de vapor circulando por esta línea y la

presión incrementaría lo suficiente como para abrir la válvula de control en la línea

de carga del acumulador, transmitiendo así el vapor al agua del acumulador, dónde

este condensaría e incrementaría la temperatura del agua hasta que la presión del

acumulador se igualase a la del vapor generado en la caldera y así estuviera

preparada para dar respuesta a los siguientes picos de carga.

A partir de esta tecnología desarrollada por Ruth, la aplicación de acumuladores

con caída de presión ha ido evolucionando. Esto fue seguido por similares

desarrollos de sistemas de acumulación para agua de alimentación o acumuladores

de presión constante para fluctuaciones menos severas (Godall, 1980). Para

aplicaciones en plantas de producción de energía, especialmente sistemas

especiales de almacenamiento para turbinas, nuevos sistemas fueron

desarrollados con presiones que pueden llegar hasta las 180 bares (Lyle, 1947).

Ahora mismo nuevos sistemas también se desarrollan fuera del ámbito industrial,

como acumuladores de vapor para plantas nucleares y solares.


12

2.3. TIPOLOGÍA Y CRITERIOS DE SELECCIÓN.

Según Godall (1980) hay un único sistema de acumuladores de vapor para uso

industrial, los acumuladores de presión variable.

Otros autores también consideran un segundo tipo de acumulador, los conocidos

como acumuladores de vapor secos, que almacenan vapor directamente, como

vimos anteriormente, el almacenamiento de vapor como tal en un acumulador no

es nada práctico y actualmente esta tecnología está totalmente en desuso, por lo

que siguiendo a Godall (1980) describiremos a continuación los acumuladores de

presión variable y las disposiciones en las que se pueden disponer.

ACUMULADOR DE VAPOR DE PRESIÓN VARIABLE.

El primer sistema es el acumulador de caída de presión o acumulador de variación

de presiones, que sigue una tecnología parecida al acumulador de Ruth

previamente visto.

El acumulador de vapor consiste en un recipiente cilíndrico presurizado

parcialemente relleno de agua, con un porcentaje de llenado entre el 50% y el 95%,

este porcentaje dependerá de la aplicación. En el diseño se intenta maximizar el

área de contacto entre la interfaz líquido-vapor para la misma masa de agua, y así

conseguir volúmenes más compactos, por lo que generalmente se llenara el

depósito en torno al 90%, ya que así se maximizara esta área de contacto sin

incrementar en demasía el volumen del agua y que por tanto necesitaría de mayor

cantidad de energía para calentarse.

Un esquema de un típico acumulador de presión variable puede verse en la Figura

4.

Figura 4: Esquema acumulador de vapor a presión variable.

Durante el proceso de carga, el vapor será cargado en el acumulador por debajo de

la superficie del agua mediante una serie de tuberías de distribución, conectadas a

una serie de inyectores de vapor, hasta que toda el agua contenida esté a la

temperatura y presión requerida.


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Es natural que el nivel del agua se incremente y decremente durante los procesos

de carga y descarga del acumulador.

Si el acumulador de vapor se carga usando vapor saturado (o húmedo), habrá una

pequeña ganancia en agua debido a las pérdidas por radiación en el recipiente.

Normalmente se descarga una mayor cantidad de vapor que el que es admitido por

los inyectores.

Una pequeña trampa de vapor es colocada en el nivel de trabajo correcto actuando

como un limitador de nivel de agua, descargando la cantidad de agua sobrante al

correspondiente sistema de condensado.

Sin embargo, si el acumulador de vapor se carga usando vapor recalentado, o si las

pérdidas por radiación fueran pequeñas, habría una pérdida de agua debido a la

evaporación, y una válvula de alimentación, bajo el control de los límites de nivel,

sería requerida para corregir el déficit.

Cuando una caída de presión ocurre en el acumulador de vapor, con toda el agua a

la temperatura de saturación, se generará vapor flash en la cantidad demandada

por el pico de demanda. Este proceso de repentina evaporación que se produce por

disminuir rápidamente la presión es conocido como “flashing”. La cantidad de

vapor flash generado dependerá de la diferencia entre la presión inicial y final del

proceso de descarga, ya que el calor que provoca la generación de vapor flash es la

diferencia entre la entalpía del líquido a la presión más alta y la entalpía del líquido

a la presión más baja.

Figura 5: Capacidad especifica de acumulación de un acumulador en función de la

diferencia de presión.


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Normalmente, la presión no debe estar por debajo que la requerida en la planta

para los procesos específicos, mientras que la presión máxima está fijada por la

presión a la salida de la caldera.

La caída de presión originada al enfrentarse el sistema a un pico de demanda es

inversamente proporcional al agua contenida en el acumulador a la temperatura

de saturación. Por ejemplo, si una demanda causa una caída de presión de 3 bares

en un sistema que contenga 10 de agua a la temperatura de saturación, la

misma demanda en un sistema que contuviera 30 de agua a la temperatura de

saturación, causaría una caída de presión de aproximadamente 1 bar.

En la Figura 5 podremos observar la capacidad específica de acumulación de un

acumulador con caída de presión y su dependencia con las presiones del proceso.

La instalación de un acumulador de vapor de presión variable nos permite

equilibrar picos de demanda tanto en la línea de consumo de alta presión como en

la línea de consumo de baja presión, a través del sistema de control, como

podemos observar en la Figura 6 y en la Figura 7.

Figura 6: Equilibrado directo de fluctuaciones en la demanda a baja presión.

A-flujo constante; B-flujo variable.


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Figura 7 : Equilibrado indirecto de fluctuaciones en la demanda a alta presión.

A-flujo constante; B-flujo variable.

Los acumuladores de presión variable pueden ser diseñados tanto de forma

horizontal, como vemos en la Figura 8, como de forma vertical, como vemos en la

Figura 9. Sin embargo, los de tipo horizontal son generalmente preferidos, debido a

que su coste de construcción es más barato. Los acumuladores horizontales

también maximizaran la interfaz líquido-vapor para la misma masa de agua,

pudiendo utilizarse así en la planta acumuladores más compactos y con un

volumen menor que si se colocaran en disposición vertical. Aun así podemos

encontrarnos acumuladores de tipo vertical debido a que en ocasiones el espacio

disponible en la fábrica pueda estar más restringido y los acumuladores verticales

ocupan una menor superficie.

Figura 8: Acumulador de vapor de presión variable horizontal.


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Figura 9: Acumulador de vapor de presión variable vertical.

Tanto los acumuladores de presión variable dispuestos de forma horizontal como

los dispuestos de forma vertical, siguen el mismo funcionamiento que hemos

descrito anteriormente.

Godall (1980) sugirió que la relación óptima entre el diámetro y la longitud total

del acumulador debería ser entre 1:4 y 1:6 para así obtener las condiciones

óptimas de capacidad de almacenamiento térmico y coste del material.

Las pruebas realizadas por Eberle (1929) nos muestran que el espacio disponible

para la evaporación del vapor y no la superficie evaporativa es el factor

determinante para la tasa de evaporación máxima disponible. La tasa máxima de

evaporación de descarga dada por Eberle es de 2000 ⁄ para el agua pura.

Cleve (1949) y Konejung (1950) desarrollaron una correlación que relaciona la

máxima tasa de evaporación con la presión de almacenamiento y la densidad del

agua almacenada (Goldstern, 1970).

De la experiencia sabemos que la máxima tasa de producción de vapor flash por

metro cuadrado de superficie de agua está en torno a tres veces la presión absoluta

en el acumulador.


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2.4. ESQUEMA DE ACUMULADOR: DESCRIPCIÓN Y FUNCIÓN DE CADA UNO DE LOS

COMPONENTES.

En la Figura 10 y en la Figura 11 podemos ver todos los componentes principales

de un acumulador de vapor, así como todos los accesorios necesarios para un buen

funcionamiento del acumulador de vapor en una instalación. A continuación

pasaremos a describirlos y a explicar la función de cada uno de ellos.

Figura 10: Accesorios de una planta con acumulador de vapor.

Figura 11: Componentes del acumulador de vapor.

2.4.1. Recipiente presurizado.

El recipiente dónde el vapor es acumulado suele ser la parte más cara del sistema

del acumulador de vapor, y deberá ser diseñado individualmente para cada

aplicación. Debe ser diseñado para poder mantener el agua/vapor a las

temperaturas requeridas en la planta. Para plantas industriales los rangos usuales

a los que deberá trabajar el recipiente serán entre 5 y 30 bares de presión.

Normalmente como se comentó previamente, se suelen diseñar los recipientes de

forma que la relación diámetro/longitud total sea de 1:4 a 1:6, pero este criterio de


18

diseño puede variar substancialmente dependiendo de las condiciones de la planta

y el espacio disponible.

Los recipientes son generalmente de forma cilíndrica, con acabados elípticos, ya

que estructuralmente es la forma de diseño más efectiva.

Cuanto mayor diferencia de presiones exista entre la presión de la caldera y la

presión de la planta, mayor será la proporción de vapor flash producida por el

acumulador, y por tanto menor la cantidad de vapor vivo requerida.

Además de la capacidad directa de almacenamiento, el recipiente debe tener:

Suficiente agua en el fondo del recipiente, en unas condiciones adecuadas,

para acomodar y cubrir los inyectores de vapor.

Suficiente espacio por encima del agua cuando el acumulador está

completamente cargado para proporcionar un área suficiente para que el

vapor pueda ser liberado. Esto es muy importante debido a que la velocidad

de liberación instantánea del vapor sí sola puede ser el criterio final para

ver si el acumulador se puede enfrentar a picos de demanda bastante

bruscos y pesados.

2.4.2. Equipo de inyección de vapor.

Una tubería de entrada de vapor alimenta al acumulador por debajo del nivel por

donde se encuentra el agua condensada, el vapor se inyecta necesariamente en el

agua a través de una serie de inyectores.

Si el flujo lleva una velocidad de circulación muy baja, el vapor tenderá a entrar al

acumulador desde los inyectores más cercanos a la tubería de entrada de vapor. El

diseño de la tubería de entrada y del sistema del colector, junto con la colocación

de los inyectores, debe asegurar la inyección de vapor a lo largo de la longitud del

acumulador, independientemente del caudal de vapor.

Hay que saber que la capacidad del inyector se reducirá a medida que la presión

aumente en el recipiente, pues la presión diferencial entre el vapor inyectado y la

presión del recipiente se reduce. La capacidad de los inyectores se obtienen de los

catálogos proporcionados por los fabricantes (ver anexo A).

Por los inyectores sale vapor, y en ocasiones algunas burbujas de vapor de

condensación a alta velocidad. Este hecho hace que se produzca régimen

turbulento en la corriente y se facilite la mezcla con la masa de agua (ver Figura

12). La descarga de los inyectores no se debe llevar a cabo cerca de las paredes del

acumulador o de manera que el flujo impacte sobre dichas paredes. Es por esto,

que se recomienda situar los inyectores de forma inclinada, al igual que estos

deben tener diferentes direcciones de descarga para lograr una mejor distribución.


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Figura 12: Funcionamiento de un inyector de vapor.

Asimismo, se recomienda instalar los inyectores con un cierto ángulo para evitar la

erosión de la zona interna del acumulador.

En acumuladores de vapor de gran longitud, se utilizan varios tubos de entrada en

el inyector para conseguir una distribución más uniforme. En tales casos, es muy

importante que los tubos de entrada estén perfectamente ensamblados desde el

suministro principal para asegurar que el fluido acceda correctamente al

acumulador de vapor y además, evitar pérdidas.

La instalación de los inyectores debe realizarse en la zona más baja posible del

acumulador para asegurar la mayor cantidad de agua por encima de estos, pues

como ya hemos dicho anteriormente, la descarga se realiza en el lecho líquido.

Podemos observar la disposición típica de los inyectores de vapor dentro de un

acumulador en la Figura 13.

Figura 13: Disposición de los inyectores.


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Los inyectores se pueden montar en las tuberías de alimentación de vapor o

directamente en el tanque usando la conexión roscada hembra. En aplicaciones

industriales se utilizan principalmente tipos de inyectores indicados en la Tabla 1.

Tabla 1: Tipos de inyectores.

Los sistemas de inyección podrán ser de tipo electroneumático (ver Figura 14) o

de control autoaccionado (ver Figura 15). Los de control autoaccionado nos

ofrecen una solución más económica mientras que los neumáticos o eléctricos nos

ofrecen un control preciso del control de temperatura. Dependiendo de los

requerimientos de nuestra planta, un sistema o el otro será más adecuado.

Figura 14: Sistema de control electroneumático.

Nuestro equipo de inyección garantizará la mezcla completa del vapor y del fluido

en el inyector, proporcionando así un calentamiento silencioso, eficiente y


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económico. Asimismo, evita la estratificación de la temperatura en el tanque,

manteniendo así una alta eficiencia.

Figura 15: Sistema de control autoaccionado.

2.4.3. Tuberías.

La tubería entre la caldera y el acumulador de vapor debe ser diseñada, en

condiciones generales, para una velocidad del vapor entre 25 y 30 ⁄ y teniendo

en cuenta la máxima capacidad de producción de la caldera.

En cuanto a la tubería entre el acumulador de vapor y los consumidores de baja de

la planta, está debe ser diseñada también para que el vapor circule entre 25 y 30

⁄ , pero en este caso, teniendo en cuenta el máximo pico de producción de vapor

que puede generar el acumulador a la presión de los consumidores de baja.

Deberemos también tratar adecuadamente el aislamiento de dichas tubería, para

evitar así las pérdidas de calor y problemas mecánicos asociados a la condensación

de vapor en las tuberías. Por tanto dichas tuberías deben de ir correctamente

aisladas.

Los fabricantes nos suministraran catálogos para poder elegir correctamente el

tipo de tubería y su aislamiento dependiendo de nuestra aplicación (ver anexo B).

Probablemente el estándar de tuberías más común sea el derivado del American

Petroleum Institute (API), dónde las tuberías se clasifican según el espesor de

pared de tubería, llamado Schedule. Estos Schedule están relacionados con la

presión nominal de la tubería, y son un total de once, comenzando por 5 y seguido

de 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140, hasta el Schedule 160. Para tuberías de

diámetro nominal 150 mm y menores, el Schedule 40 (denominado a veces

‘standard weight’), es el más ligero de los especificados. Sólo los Schedule 40 y 80


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cubren la gama completa de medidas nominales desde 15 mm hasta 600 mm y son

los Schedule utilizados más comúnmente para instalaciones de tuberías de vapor.

2.4.4. Válvulas de mantenimiento de presión.

Las válvulas de mantenimiento de presión son unos elementos esenciales en los

dispositivos de carga y descarga de acumuladores de vapor y otros muchos

equipos dentro de una instalación de vapor (El sistema de válvulas encargadas de

la distribución del vapor a presión constante también puede encontrarse en la

caldera o en otros equipos de una planta de vapor.). Las válvulas deben estar

perfectamente sincronizadas para permitir el paso de fluido en el momento

adecuado como se puede ver en la Figura 16.

Figura 16: Disposición de válvulas de mantenimiento de presión.

2.4.5. Válvulas reductoras de presión.

Lo primero y esencial es seleccionar el mejor tipo de válvula para cada aplicación.

Cuando se trate de cargas pequeñas, en las que no sea vital un control fino, pueden

ser suficientes las válvulas reductoras de acción directa (ver Figura 17).

Éste tipo de válvulas trabajan de la siguiente forma:

En la puesta en marcha, la presión aguas arriba empuja el obturador lejos del

asiento, permitiendo que el vapor fluya en el sistema aguas abajo.

Con una llave se comprime el resorte mediante el plato de control. La fuerza del

resorte es transmitida a través del plato al empujador de la válvula que mantiene

el obturador en posición totalmente abierta. A medida que la presión aguas abajo

aumenta, actúa a través de la línea de toma de presión en la parte inferior del

diafragma unido al extremo del empujador de la válvula.


23

La presión aguas abajo sigue aumentando hasta que la presión que actúa sobre el

diafragma, supera la fuerza que ejerce el resorte y que mantiene el obturador en

posición abierta, moviéndolo hacia el asiento de la válvula para modular el flujo y

mantener la presión requerida aguas abajo.

Una característica importante en el funcionamiento de la válvula es el uso de un

fuelle de compensación para eliminar el efecto de la diferencia de presión aguas

arriba y aguas abajo en el obturador que puede producir ruido y vibraciones.

Figura 17: Válvula reductoras de presión de acción directa.

En los otros casos es mejor seleccionar una válvula con piloto, particularmente si

se producen períodos sin demanda durante los cuales no deba aumentar la presión

de salida (ver Figura 18).

Las válvulas reductoras de presión con piloto trabajan equilibrando la presión de

salida con el resorte de control, éste mueve un pequeño obturador contra un

asiento (el piloto). El fluido a través del asiento llega directamente al diafragma de

la válvula principal, actuando sobre la válvula principal.


24

Bajo condiciones estables, la presión debajo del diafragma piloto equilibra la

fuerza fijada en el resorte de ajuste. Esto asienta la válvula piloto permitiendo un

paso de fluido constante a través del diafragma principal. Esto asegura que la

válvula principal está también asentada para dar una presión de baja estable.

Cuando la presión de baja aumenta, la válvula piloto cierra, y la presión se libera

del diafragma de la válvula principal a través del orificio de control, para cerrar la

válvula principal.

Cualquier variación de caudal o de presión será inmediatamente captada por el

diafragma piloto, el cual actuará para ajustar la posición de la válvula principal,

asegurando una presión de baja constante.

Con tal de conseguir las mejores condiciones de trabajo posibles, se recomienda

usar un tubo detector de presión externo. Esto resulta más importante cuando la

válvula trabaja cerca de su capacidad máxima, o bajo condiciones de flujo críticas.

Figura 18: Válvula reductoras de presión con piloto.


25

Igual que sucede con todas las válvulas de control, se debe evitar el

sobredimensionamiento de las válvulas reductoras. Una válvula que trabaje

habitualmente demasiado cerca de su asiento, puede sufrir erosiones por el paso

constante de vapor a alta velocidad. Además en esta posición, cualquier pequeño

movimiento de esta válvula producirá un cambio de caudal relativamente

importante. Con un modelo más pequeño, correctamente dimensionado, se

obtendría un mejor ajuste y el riesgo de avería sería menor (ver anexo C para

elección de válvulas).

Cuando es necesario provocar descensos de presión muy elevados, con relaciones

de presiones mayores que 10:1, es preferible trabajar con dos o más válvulas

instaladas en serie como podemos observar en la Figura 19.

Figura 19: Válvulas reductoras de presión en serie.

Si la válvula va a trabajar por debajo de las condiciones de carga inferiores, para

alargar su vida sería mucho mejor poner dos válvulas más pequeñas en paralelo

(ver Figura 20). Esta no es una regla tajante, pero si la carga baja es un 10% (o

menos) de la carga máxima entonces son preferibles dos válvulas. Las válvulas en

paralelo también se usan donde es vital que la aportación de vapor no sea

interrumpida. Esta solución asegura un control apropiado de la presión cuando

alguna válvula está siendo revisada.

Si bien el dimensionamiento es importante para el buen funcionamiento de una

válvula reductora, también lo es su instalación correcta, y puesto que la mayor

parte de los problemas de una válvula reductora son causados por la presencia de

humedad o suciedad, se han de instalar, antes de la válvula, un separador y un

filtro de malla fina. El filtro debe ser colocado lateralmente para evitar que el

cuerpo se llene de agua y para garantizar que toda la superficie de filtración sea

efectiva.

Si la tubería o la instalación de salida no pueden resistir la presión de entrada, se

debe instalar una válvula de seguridad a la salida de la válvula reductora, regulada

a la máxima presión que pueda soportar esta parte de la instalación y además con


26

una capacidad de descarga de vapor igual a la que puede pasar a través de la

válvula, totalmente abierta, a esta presión máxima.

Figura 20: Válvulas reductoras de presión en paralelo.

2.4.6. Rompedores de vacío.

Un rompedor de vacío (ver Figura 21) protegerá la planta y al acumulador de

vapor contra el vacío, y al mismo tiempo permitirá un drenaje efectivo del

condensado que se forma durante la operación de descarga del acumulador.

Podremos consultar los catálogos de los fabricantes para una correcta elección

para nuestra instalación (ver anexo D).

Figura 21: Rompedor de vacío.


27

El rompedor de vacío trabajará de la siguiente forma:

Durante la operación normal de la instalación, la válvula de la que consta el

rompedor de vacío está firmemente apoyada en el asiento, asegurando un cierre

total, como podemos ver en la Figura 22.

Figura 22: Funcionamiento normal del rompedor de vacío.

Debido a la reducción de presión experimentada por el acumulador durante la

descarga, el vapor condensa, reduciéndose la presión en el interior del

acumulador. La válvula permanece en el asiento hasta que la presión en el

acumulador cae por debajo de la presión de entrada del aire, como podemos ver en

la Figura 23.

Figura 23: Reducción de presión en el rompedor de vacío.


28

En el punto de vacío, la válvula instantáneamente se levantará del asiento. El aire

entrara a través de la cámara superior para evitar la formación de vacío, como

podemos observar en la Figura 24.

Figura 24: Apertura válvula del rompedor de vacío.

Generalmente utilizaremos rompedores de vacío de latón y de acero inoxidable

austenítico (ver Figura 25).

Figura 25: Tipos de rompedores de vacío.

2.4.7. Válvulas antirretorno.

Una válvula de retención se requiere en la instalación para prevenir la inversión

del flujo hacia la caldera en el caso en el que deliberadamente la caldera se pare

por algún motivo, o por el cierre de la caldera.


29

En este tipo de instalación la elección de una válvula de retención de disco (ver

Figura 26) es una elección adecuada para un correcto funcionamiento a un precio

económico.

Figura 26: Válvula de retención de disco.

Las válvulas de retención DCV abren por la presión del fluido y cierran por resorte

así que cesa el flujo antes de que se produzca el flujo inverso , siguiendo el

funcionamiento que se muestra en la Figura 27.

Figura 27: Apertura y cierre de la válvula de retención de disco.


30

Las válvulas de retención se pueden instalar en cualquier posición y con el flujo en

cualquier dirección. La única excepción son las válvulas sin resorte que deben ser

instaladas en una tubería vertical con sentido de flujo ascendente.

Los fabricantes nos suministrarán catálogos con las dimensiones y pesos de las

distintas válvulas de retención disponibles para elegir la que nos asegure el mejor

funcionamiento de la instalación (ver anexo E).

2.4.8. Válvulas de seguridad.

La válvula de seguridad protege contra excesos de presión críticos para el

acumulador de vapor. En el caso de que la máxima presión admisible de trabajo del

acumulador fuera igual, o incluso mayor que la de la caldera, entonces una válvula

de seguridad no sería estrictamente necesaria en nuestra planta. Podemos ver los

componentes de los que dispone una válvula de seguridad en la Figura 28.

Aun así deberíamos antes de tomar cualquier decisión sobre la instalación o no de

una válvula de seguridad en nuestro acumulador, contemplar escenarios menos

favorables como el caso de un incendio en la planta, si el acumulador estuviera

plenamente cargado y con todas las salidas y entradas cerradas.

Figura 28: Válvula de seguridad.


31

La calidad del cierre hermético es una característica crítica de cualquier válvula de

seguridad y cada válvula de seguridad se comprueba para asegurar que el cierre

cumple con los requisitos de la noma API 527 de la American Petrochemical

Institute.

Si decidimos instalar una válvula de seguridad en nuestra instalación,

dispondremos de catálogos suministrados por los fabricantes (ver anexo F), que

garantizan que las válvulas cumplen con los siguientes requisitos:

La válvula de seguridad se debe instalar siempre con la línea central del

alojamiento del resorte en vertical en la parte superior de la válvula.

No debería haber válvula de interrupción en la entrada o salida de la válvula

de seguridad.

El diámetro nominal de la tubería de salida debería ser igual o mayor que la

salida de la válvula.

La válvula no deberá soportar ningún tipo de esfuerzo que pueda causar

deformación o fugas.

En las tuberías de salidas ascendentes, se debe proveer de una purga de

pequeño diámetro en el punto donde más se pueda acumular agua, y un

drenaje conectado en el tapón de drenaje de la válvula.

La Tubería de descarga deberá estar dimensionada de tal manera que

contrapresión desarrollada no sea superior al 12% de la presión de tara.

Cuando detectemos una situación de peligro en la instalación debido a unas

condiciones críticas de sobrepresión en el interior del acumulador tendremos la

opción de utilizar la válvula de seguridad para contrarrestar esta situación de

peligro.

Figura 29: Instalación válvula de seguridad


32

Además, como en todas las instalaciones que disponen de válvulas de seguridad, se

deberá asegurar que la descarga del vapor venteado se haga hacia un lugar seguro

(ver Figura 29) mediante tuberías de venteo específicamente diseñadas para ello,

cumpliendo los requisitos anteriormente mencionados.

2.4.9. Otros accesorios: termómetro, manómetro y mirilla.

La variación de nivel del agua dentro del acumulador de vapor no va a ser muy

grande, porque aproximadamente tan sólo el 10% del agua acumulada se

convertirá en vapor, sin embargo, algún modo de ver el nivel de agua de la

instalación es esencial. Generalmente utilizaremos una simple mirilla de cristal,

colocada como vemos en la Figura 30, para controlar el nivel del agua.

Figura 30: Mirilla instalada en acumulador de vapor.

Asimismo deberemos disponer de un manómetro y un termómetro que nos

indiquen en todo momento la temperatura y la presión existente en el interior del

acumulador de vapor.

2.5. DISPOSICIONES TÍPICAS DE ACUMULADORES DE VAPOR

La disposición del acumulador en nuestra instalación se hará de diferentes formas,

dependiendo de la distancia del acumulador a la central del vapor, de sí todo el

vapor generado por la caldera pasa o no por el acumulador, del número de

consumidores que haya y de la presión de vapor requerida por estos consumidores

para los procesos.


33

En la Figura 31 se nos muestra como todo el vapor generado por la caldera pasa a

través del acumulador de vapor hacia un único consumidor a una presión menor

que la de la caldera. Esta es la disposición preferida en los tiempos actuales, en ella

una serie de controladores actúan sobre la válvula de mantenimiento de presión y

la válvula reductora, para mantener la presión de entrada al acumulador y de

salida al proceso en el valor adecuado.

En la Figura 32 se muestra la disposición típica más común en el pasado, y todavía

útil cuando el acumulador de vapor se debe situar a cierta distancia de la principal

fuente de vapor. De todas formas las válvulas de control deben ser comprobadas

regularmente, ya que la combinación de válvulas de paso y de retorno puede

causar que el vapor entre por arriba de la superficie de contacto entre agua y

vapor, lo que no reporta ningún beneficio.

En la Figura 33 se muestra una disposición donde se requiere vapor a presión de la

caldera, así como vapor de agua a una presión más baja.

Algunas aplicaciones de procesos no toleran vapor a bajas presiones, por lo que no

es demandado, además de que el vapor a la presión del generador de vapor puede

ser requerido en todo momento (típicamente para procesos de secado). Esto

puede llevar a picos de demanda en el vapor a alta presión, es por esto que en esta

instalación existe una válvula de presión constante, la cual, si se diera el pico de

demanda, notaría una caída de presión y se regularía de forma que se reservara

vapor a alta presión para los consumidores de alta presión y se dejaría así que el

acumulador proporcione la demanda de baja presión durante ese periodo de

tiempo. De esta manera el sistema proporciona una carga fluctuante de baja

presión a través del acumulador de vapor y el caudal máximo de carga a alta

presión está garantizado gracias a la acción de la válvula de presión constante.

Figura 31: Acumulador de vapor cercano a la caldera hacia una única línea de de

consumo de baja presión.


34

Figura 32: Acumulador de vapor alejado de la caldera hacia una única línea de consumo de baja presión.

Figura 33: Vapor necesario a presión de la caldera, así como a una presión menor.

En la Figura 34, la caldera de vapor está trabajando a su presión de diseño

nominal, por ejemplo 10 bar y el vapor es demandado a presiones menores, de 5

bar. La válvula de reducción de presión A reduce la presión del vapor ente la

caldera y la rama de distribución de vapor a la planta, respondiendo a la demanda

de vapor a la presión necesaria, de 5 bar.


35

Figura 34: Disposición estándar alternativa.

Si la demanda de vapor excede la capacidad de suministro de la caldera, y la

presión en la línea de demanda de vapor a baja presión cae por debajo de, por

ejemplo 4,8 bar, la válvula B se empieza a abrir con el objetivo de complementar el

suministro. Con la apertura de la válvula, se obtiene vapor del acumulador, lo que

hace que, durante un periodo de tiempo, la presión del acumulador caiga y que,

gracias a dicha válvula, se responda a la demanda de vapor a baja presión. Su

capacidad debe coincidir con la velocidad de descarga permitida para el

acumulador de vapor, y que será más pequeña que la válvula reductora A.

La válvula C es una válvula de mantenimiento de la presión constante, en respuesta

a la presión de la caldera. Si la presión aumenta debido a la menor demanda de la

planta, la válvula C se abre. El vapor es entonces admitido en el acumulador de

vapor que se recarga hacia su presión máxima, que será algo menor a la presión de

trabajo de la caldera. En este caso, la válvula reductora de presión B se mantendrá

cerrada pues la planta está recibiendo suficiente vapor a través de la válvula

reductora A, es decir, el vapor que proviene de la caldera satisface la demanda de

vapor.

En cualquier planta, el gerente de ingeniería debe esforzarse por proporcionar al

menos un servicio mínimo en caso de que el acumulador de vapor y su equipo

conexo o bien requiera mantenimiento o bien se rompa. Esto incluirá la provisión

de aislamiento adecuado del acumulador con válvulas, y quizás con dispositivos de

protección de sobrecarga de la caldera. Una solución se puede ver en la Figura 35

utilizando válvula de bypass.


36

Figura 35: Disposición del acumulador con bypass.

2.6. ESQUEMAS DE CONTROL

Una instalación simple consta de los elementos mostrados en la Figura 36.

Figura 36: Esquema de la instalación de un acumulador de vapor en la red de vapor.

En la Figura 37 podemos ver los esquemas de control en el acumulador de vapor,

funcionando éste con variaciones de carga a baja presión.


37

En la Figura 38 podemos ver los esquemas de control en el acumulador de vapor,

funcionando éste con variaciones de carga a alta presión.

Para un funcionamiento correcto deben existir los siguientes controles:

Control del caudal de vapor con el fin de asegurar un caudal constante del

mismo. En instalaciones simples, con el acumulador sirviendo a un único

equipo de consumo cíclico puede ser suficiente una válvula reductora para

no superar la presión de diseño del acumulador.

Control de la presión del vapor en el proceso, mediante una válvula

reductora que abre al bajar la presión en el acumulador.

Si se utiliza vapor saturado existirá un equilibrio e entre el vapor de entrada

y el de salida. Debido a las perdidas térmicas, el nivel de agua tendera a

subir. El exceso de agua podrá eliminarse mediante un purgador de vapor

colocado en un punto situado al máximo nivel.

Si se utiliza vapor recalentado el peso de vapor extraído del acumulador

puede ser mayor que el peso de vapor condensado. El nivel bajara y es

necesario disponer de algún elemento para introducir agua en el interior

del recinto a presión.

Figura 37: Esquema de control y de flujos para un acumulador que funciona con variaciones de carga a baja presión.

Figura 38 Esquema de control y de flujos para un acumulador que funciona con variaciones de carga a alta presión.


38

CAPÍTULO 3: FABRICANTES, NORMATIVA Y DIMENSIONADO.

3.1. PRINCIPALES FABRICANTES.

A continuación se expondrán los principales fabricantes de acumuladores de

vapor, con las especificaciones de los modelos que fabrican y diversas

consideraciones.

HGSERVITEC CALDERAS VAPOR, S.L.

Está empresa, localizada en Sant Boi de Llobregat (España), nos proporciona una

serie de modelos, disponibles en el catálogo de la empresa (Hgservitec) con los

siguientes parámetros de diseño:

-Presión máxima admisible: 12 bar.

-Temperatura máxima admisible: 191.7ºC.

-Bridas: PN 16 UNI EN 1092-1 (ex UNI 2278).

En la Figura 39 y en la Tabla 2 tenemos la información sobre los modelos que nos

proporciona el fabricante Hgservitec.

Figura 39: Disposición acumulador de vapor del fabricante Hgservitec.


39

Tabla 2: Modelos disponibles de acumuladores de vapor del fabricante Hgservitec.

MANARA GENERATORI DI VAPORE.

La empresa Manara, ubicada en Parma (Italia), nos proporciona las siguientes

especificaciones técnicas que cumplen sus acumuladores de vapor.

-Presión máxima de trabajo: 12 bar.

-Cumplimiento normativa PED 97/23/EC

-Disponibles tanto acumuladores de vapor de disposición horizontal como de

disposición vertical.

Asimismo dispone del catálogo de modelos con las dimensiones que aparecen en la

Figura 40 y en la Tabla 3.

Figura 40: Disposición acumulador de vapor del fabricante Manara.


40

Tabla 3: Modelos de acumuladores de vapor disponibles del fabricante Manara.

ATTSU.

El grupo ATTSU, ubicado en Móstoles (España), formado por las empresas

españolas Arcones, Tecnivap y Teyvi, nos da información acerca de un modelo en

concreto de acumulador de vapor, el modelo AV (ATTSU).

Modelo AV

Volumen: El acumulador de vapor AV (ver Figura 41 y Figura 42) es un modelo

compacto con volumenes adaptables según instalación.

De serie, el acumulador AV sale ya equipado con toda su valvulería,

instrumentación, niveles visuales, electrodos, cuadro eléctrico y purgas.

Presiones de diseño estándar hasta 16 bar. Diseños especiales por encima de 16

bar.

Modelos adaptables a las necesidades específicas de cada cliente e instalación.

Figura 41: Acumulador de vapor modelo AV del fabricante ATTSU.


41

Figura 42: Vista interior del modelo AV del fabricante ATTSU.

BOSCH INDUSTRIAL.

La empresa Bosch Industrial, con sede en Gunzenhausen (Alemania), nos ofrece un

modelo en concreto de acumulador de vapor (Bosch Industrial). El acumulador de

vapor SAM (ver Figura 43) consta de un depósito cilíndrico en posición horizontal

con una barra aspersora de vapor integrada.

Módulo acumulador de vapor SAM

El módulo dispone de aislamiento térmico y se suministra listo para su

funcionamiento con el equipamiento previamente montado.

El módulo dispone del siguiente equipamiento: Válvulas de purga de aire, de salida

de agua, de cierre de llenado, de entrada y de salida de vapor, un dispositivo de

seguridad contra rebose y sobrepresión, un indicador de temperatura directo, así

como un dispositivo de indicación del nivel de agua.

Figura 43: Módulo acumulador de vapor SAM del fabricante Bosch Industrial.


42

ABBOTT & CO LTD.

La empresa Abbott, ubicada en Newark (Reino Unido), nos ofrece una gama de

acumuladores de vapor de disposición vertical (Abbott) que cumplen las siguientes

especificaciones:


-Temperatura máxima de trabajo 198ºC.

-Diseños específicos disponibles.

En la Figura 44 y en la Tabla 4 vemos la información de la que disponemos acerca

de los modelos de la empresa Abbott.

Figura 44: Disposición acumulador de vapor del fabricante Abbott.

Tabla 4: Modelos disponibles de acumuladores de vapor del fabricante Abott.


43

SEA CZ a.s.

La empresa SEA CZ, ubicada en Zlín (República Checha), nos ofrece los modelos de

acumuladores de vapor que aparecen en la Figura 45 y en la Tabla 5.

Figura 45: Disposición acumulador de vapor fabricante Sea Cz.

Tabla 5: Modelos disponibles de acumuladores de vapor del fabricante SEA CZ.


44

ODENBERG ENGINEERING LTD.

La empresa Odenberg Engineering Ltd., ubicada en Dublín (Irlanda) dispone de

dos modelos de acumuladores de vapor, pudiendo elegir entre diferentes tamaños.

Las dimensiones de ambos modelos las podemos ver en la Figura 46 y en la Tabla

6.

Figura 46: Disposición acumulador de vapor del fabricante Odenberg.

Tabla 6: Modelos disponibles de acumuladores de vapor del fabricante Odenberg.


45

PARKER BOILER COMPANY.

La empresa Parker Boiler, ubicada en California (Estados Unidos), dispone de un

modelo de acumulador de vapor, del que se muestran los planos de la instalación y

que podemos observar en la Figura 47.

Modelo Horizontal Wet Accumulator


-Longitud total: 4 metros.

Figura 47: Dimensiones modelo de acumulador de vapor del fabricante Parker

Boiler.


46

EDWIN SNOWDEN &CO LTD.

La empresa Edwin Snowden, ubicada en Hull (Reino Unido), nos ofrece dos

modelos de acumuladores de vapor, un modelo de dimensiones medianas que

podemos observar en la Figura 48 y otro de dimensiones superiores que

observamos en la Figura 49.

Modelo mediano Modelo grande

-Longitud: 2400 mm. -Longitud: 8750 mm.

-Diámetro: 780 mm. -Diámetro: 2330 mm.

-Presión máxima: 11 bar. -Presión máxima: 11 bar.

-Temperatura máxima: 180°C. -Temperatura máxima: 180°C.

Figura 48: Modelo mediano de acumulador de vapor del fabricante Edwin Snowden.

Figura 49: Modelo grande de acumulador de vapor del fabricante Edwin-Snowden.


47

ARALSAN LTD

La empresa Aralsan Ltd., ubicada en Turquía, nos ofrece modelos de acumuladores

de vapor para uso industrial con volúmenes desde 1500 litros hasta 50000 litros.

Aralsan nos proporciona la información recogida en la Tabla 7 de cada uno de sus

modelos.

Tabla 7: Modelos de acumuladores de del fabricante Aralsan.


48

CONCLUSIONES RECOGIDAS DE LOS DATOS DADOS POR LOS FABRICANTES.

Con la información recogida de los distintos fabricantes podemos obtener las

siguientes conclusiones:

-Las capacidades se encuentran comprendidas entre 300 y 50000 litros.

-Los pesos de transporte están comprendidos entre 120 y 24250 kg.

-Los pesos en operación se encuentran comprendidos entre 2470 y 63630 kg.

-En cuanto a las dimensiones: -Diámetros entre 170 y 2330 mm.

-Longitudes entre 1200 y 20160 mm.


-Ratio peso/volumen: Con los datos proporcionados por Aralsan, realizamos el

análisis reflejado en la Tabla 8.

Tabla 8: Ratio peso de transporte y de operación/volumen de los acumuladores de vapor del fabricante Aralsan.


49

Figura 50: Pesos de transporte y de operación frente a volumen total de

acumuladores de vapor de Aralsan.

Figura 51: Ratios pesos de transporte y de operación/volumen total frente a

volumen total de acumuladores de vapor de Aralsan.


50

Observando la Figura 50 y la Figura 51, dónde se representan los resultados

obtenidos en la Tabla 8, podemos obtener que obviamente, al aumentar el volumen

del acumulador, aumentará el peso del acumulador, pero a medida que el

acumulador sea de mayores dimensiones, el ratio peso/volumen disminuye hasta

alcanzar un valor prácticamente constante a partir de capacidad del acumulador

de vapor de 20000 litros.

-Ratio longitud/diámetro: Con los datos proporcionados por los fabricantes

Hgservitec y Manara, realizamos el anáisis reflejado en la Tabla 9 para el fabricante

Hg Servitec y en la Tabla 10 para el fabricante Manara.

Tabla 9: Ratio longitud/diámetro de acumuladores de vapor del fabricante Hgservitec.

Figura 52: Ratio longitud/diámetro de acumuladores de vapor del fabricante

Hgservitec.


51

Tabla 10: Ratio longitud/diámetro de acumuladores de vapor del fabricante

Manara.

Figura 53: Ratio longitud/diámetro de acumuladores de vapor del fabricante

Manara.

Como dijimos anteriormente, Godall (1980) sugirió que la relación óptima entre el

diámetro y la longitud total del acumulador debería ser entre 1:4 y 1:6 para así

obtener las condiciones óptimas de capacidad de almacenamiento térmico y coste


52

del material. Como vemos en la Figura 52 y en la Figura 53, dónde se representa el

ratio longitud/diámetro para diversos volúmenes, esta relación en la práctica no se

cumple, ya que los fabricantes deben tener en cuenta el espacio disponible en la

fábrica y tienden a fabricar los acumuladores de vapor tratando de alcanzar una

mayor compacidad, por lo que generalmente, nos encontraremos con unas

relaciones longitud/diámetro en torno a 2:1 y 3:1.

3.2. NORMATIVA.

Todos los fabricantes citados anteriormente deben cumplir la normativa de

aplicación en los “equipos a presión”, dicha normativa viene recogida en los

siguientes documentos:

- Real Decreto 2060/2008 que aprueba el Reglamento de Equipos a presión y sus

instrucciones técnicas complementarias.

-Por el Reglamento de Aparatos a Presión, aprobado por el Real Decreto

1244/1979, de 4 de abril, se regularon los aspectos a tener en cuenta en relación

con el diseño, fabricación, reparación, modificación e inspecciones periódicas de

los aparatos sometidos a presión.

-La Comunidad Económica Europea y posteriormente la Unión Europea marcaron

directivas de aplicación sobre determinados equipos o aparatos a presión que han

modificado el Reglamento de Aparatos a Presión aprobado en 1979.

- Real Decreto 473/1988, de 30 de marzo, sobre aparatos a presión.

- La Comunicación de la Comisión de la aplicación de la Directiva 97/23/CE, con la

lista de normas armonizadas y normas auxiliares armonizadas.

- La Directiva 2009/105/CE de Recipientes a presión simple.

- El Real Decreto 1495/1991, por el que se dictan las disposiciones de aplicación

de la Directiva 87/404/CEE sobre recipientes a presión simples, su corrección de

erratas.

- El Real Decreto 2486/1994, por el que se modifica el Real Decreto 1495/1991,

sobre recipientes a presión simples.

- RD 769/1999 por el que se dictan las disposiciones de aplicación de la Directiva

del Parlamento Europeo y del Consejo 97/23/CE, relativa a los equipos a presión;

estableciendo nuevos criterios para el diseño, fabricación y evaluación de la

conformidad.

- Norma UNE-EN 13445.Recipientes a Presión

- CERAP, Código Español de Recipientes y Aparatos a Presión ordena, recoge,

actualiza y desarrolla los registros aplicables al cálculo, diseño, control, inspección

y construcción de recipientes o depósitos y aparatos a presión, y cuyo alcance,


53

fundamentalmente, va dirigido a todos los fabricantes de equipos, entidades de

inspección y control y usuario.

3.3. DIMENSIONADO.

3.3.1. INTRODUCCIÓN AL DIMENSIONADO DEL ACUMULADOR DE VAPOR.

Como se ha comentado en apartados anteriores, la inclusión de un acumulador de

vapor en nuestro sistema nos proporciona un incremento en la capacidad de

almacenamiento de energía.

Un diseño apropiado del acumulador de vapor nos asegura que cualquier tasa de

flujo de vapor demandada en la instalación pueda ser abastecida.

No hay límites teóricos para el tamaño del acumulador, pero desde luego

consideraciones prácticas nos impondrán una serie de límites, además de la

relación de fabricantes dada en el apartado anterior vemos que el volumen

máximo disponible de fabricación es de 50 .

A la hora de diseñar nuestro acumulador, debemos contemplar que no todo el

volumen del acumulador contendrá agua, sino que el acumulador estará lleno de

agua entre un 75% y un 95 % de su capacidad total. Esto se debe a que se debe

dejar espacio disponible para la vaporización instantánea del agua debido al

cambio de presión en el acumulador, ya que ésta variable será crítica para obtener

una tasa máxima de evaporación óptima.

A través de las diferentes simulaciones hechas por Fabrizio (2011) llegamos a la

conclusión de que el porcentaje de llenado óptimo para los acumuladores de

disposición horizontal es de un 90%, mientras que para los de disposición vertical

es del 80%.

Esto se debe a que otro factor importante en el diseño es el área de contacto entre

la interfaz líquida y la del vapor, que es bastante superior en los acumuladores de

disposición horizontal que en los de disposición vertical. Es por este motivo, por el

que generalmente se suelen utilizar acumuladores de vapor de tipo horizontal, ya

que minimizan el volumen total para una misma aplicación y por tanto el coste es

menor, por lo que por regla general, y sin limitaciones de espacio en nuestra

instalación, para este tipo de aplicaciones elegiremos un acumulador de tipo

horizontal.

Recordemos también que el volumen del acumulador será inversamente

proporcional a la caída de presiones originada en el acumulador, por lo que, para

una misma aplicación, cuanto mayor sea la diferencia de presiones entre la caldera

y la línea de baja presión de consumo, hará falta un menor volumen del

acumulador y será por tanto más económico.


54

En la práctica, el diseño de un acumulador de presión está supeditado a conocer el

volumen necesario de acumulación requerido para enfrentarse al pico de demanda

que surja en la fábrica, conocida la caída de presión permitida, y siempre

produciendo vapor seco limpio a una velocidad de liberación menor que la tasa

máxima de evaporación permitida.

En cuanto al agua que contiene el acumulador de vapor, cabe recordar que es

vapor que ha condensado y por tanto agua limpia y pura, que favorece una

superficie de agua estable y limpia. Debido a esto, los acumuladores de vapor

también son usados para garantizar que se produce vapor limpio en aplicaciones

donde el vapor está en contacto directo con el producto, como en esterilizadores

industriales, hospitales y determinadas aplicaciones relacionadas con la industria

alimenticia.

Recordemos que una vez el acumulador se rellene con agua, y en condiciones

normales de funcionamiento, la variación de agua es relativamente pequeña.

Los acumuladores siempre se diseñaran para adaptarse a la aplicación. Es también

usual, que los acumuladores de vapor de dimensiones más pequeñas sean de tipo

vertical, ya que cualquiera de las dos disposiciones puede mantener los mismos

volúmenes de almacenamiento y de tasa de descarga, y será más fácil encontrar

espacio para unidades verticales.

Las diferentes indicaciones que se darán a continuación para el diseño del

acumulador de vapor, se darán para un acumulador de configuración horizontal,

dichas indicaciones serán las mismas para uno de configuración vertical.

3.3.2. DATOS DE PARTIDA PARA EL DIMENSIONADO DEL ACUMULADOR DE

VAPOR.

Para poder realizar un diseño óptimo deberemos disponer de los siguientes datos:

-Demanda de vapor del proceso: Deberemos disponer de datos exactos acerca de la

demanda de vapor del proceso para así poder determinar el flujo continuo de

producción de vapor con el que la caldera va a trabajar para optimizar el

almacenamiento de vapor durante los períodos en los que la demanda sea menor

que el flujo de vapor y conseguir que se almacene la cantidad de vapor necesario

para hacer frente a los picos de demanda sin que se desperdicie vapor.

-Presión de trabajo de la caldera y presión de la línea de consumo: Una vez que se

establezca la tasa de producción constante de vapor de la caldera, será necesario

conocer la caída de presión de la que se puede aprovechar el acumulador para

poder producir vapor instantáneo y limpio en los momentos en que se necesite.

-Espacio disponible en fábrica: Deberemos conocer si disponemos de espacio

suficiente o de espacio limitado para ver si instalaremos el acumulador de vapor


55

en disposición horizontal o en disposición vertical. Como comentamos

anteriormente, si el espacio no está limitado se suele escoger una configuración

horizontal.

3.3.3. CASO REAL DE DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN CON

ACUMULADOR DE VAPOR.

A continuación estudiaremos un caso real de diseño de un acumulador de vapor y

de todos los accesorios que se necesitan para instalar el acumulador en nuestra

instalación.

El caso real que se nos presenta es el de la fábrica que posee la empresa finesa

Finnfoam Oy, empresa productora de aislamiento térmico para cubiertas, suelos y

paredes, cuyo diagrama de funcionamiento podemos observar en la Figura 54.

Dicha fábrica dispone de una caldera que produce vapor recalentado a una presión

de 12 bar mientras que la línea de proceso consume vapor a una presión de 6 bar.

Figura 54: Diagrama de instalación.

La fábrica opera desde las 8:00 am hasta las 18:30 pm con la demanda de vapor del

proceso indicada en la Tabla 11.

Como podemos ver en la Figura 55, la demanda de la planta es idónea para la

instalación de un acumulador de vapor ya que no es una demanda constante, sino

que fluctúa en torno a 4500 kg/h y 8000 kg/h y sino dispusiéramos de un

acumulador de vapor, deberíamos diseñar nuestra caldera de forma que trabajara

al caudal máximo de demanda de la planta, desperdiciando una gran cantidad de

vapor cuando la planta no trabajara en los picos de demanda.


56

Tabla 11: Demanda de vapor del proceso.

Figura 55: Demanda de vapor del proceso.

También podemos observar que a lo largo del día se repetirá por tres veces el

mismo proceso. El primero de ellos se dará desde las 8:00 am hasta las 11:30 am,

el segundo se dará entre las 11:30 am y las 15:00 pm y el tercero entre las 15:00

pm y las 18:30 pm, por lo que a la hora de diseñar el acumulador de vapor idóneo

para la planta nos bastará con estudiar sólo uno de los procesos, ya que


57

garantizando un diseño correcto en uno de ellos se garantiza que el diseño es

correcto para los otros dos.

Dimensionado y elección del recipiente presurizado.

El primer paso que debemos de dar a la hora del diseño del recipiente es realizar

un estudio de la demanda de vapor del proceso, para así poder seleccionar

correctamente el flujo constante de vapor que tiene que suministrar la caldera

para maximizar la capacidad de almacenamiento de vapor en el acumulador.

Para ello deberemos realizar una serie de iteraciones en las que iremos

suponiendo el flujo constante de vapor de suministro de la caldera, estudiando que

cantidad total de vapor sobrante se almacena en el acumulador de vapor durante

los períodos en los que la demanda del proceso es menor que el flujo de vapor de la

caldera, para garantizar que haya cantidad de vapor suficiente para poder hacer

frente a los picos de demanda en los que el proceso necesita vapor del acumulador.

Con las iteraciones buscaremos obtener el valor óptimo que haga que no haya un

excedente de vapor acumulado en el acumulador y por tanto una pérdida de

energía y de recursos.

A lo largo de las siguientes iteraciones se supondrán valores de la tasa continua de

producción de la caldera y se estudiará el efecto sobre el proceso que tiene lugar

entre las 8:00 am y las 11:30 am, tomando períodos de tiempo de 15 minutos. De

esta forma buscaremos alcanzar la tasa continua de producción de vapor de la

caldera que consiga que el vapor acumulado durante los períodos de baja demanda

pueda suplir la demanda extra de vapor que tendrá que suministrar el acumulador

para hacer frente a los picos de demanda.

Para calcular el vapor sobrante para acumulación, o el que se necesita extraer del

acumulador en un período se ha seguido la siguiente ecuación:

* t [I]

[kg/h]: cantidad de vapor producido por la caldera.

[kg/h]: demanda media del proceso durante el período estudiado.

t [min]: tiempo de duración del período estudiado.

[kg]: vapor acumulado en el acumulador o vapor extraído del acumulador

durante un período t.


58

ITERACIÓN 1

Una buena primera aproximación sería suponer que el flujo de producción de la

caldera es igual a la demanda media del proceso, con lo que suponemos que

= 4975 kg/h. Veamos si con esta suposición el vapor que se acumula en el

acumulador previamente al pico de demanda es suficiente para contrarrestar

dicho pico.

Tabla 12: Evolución demanda con = 4975 kg/h.

Vemos en la Tabla 12 que con esta tasa de producción de vapor de la caldera, el

acumulador no es capaz de responder a los picos de demanda ya que el vapor que

se acumula antes de los picos es menor que el necesario para responder a la

demanda.

ITERACIÓN 2

Suponemos que la tasa continua de producción de la caldera es 4985 kg/h.

Con = 4985 kg/h vemos en la Tabla 13 que el vapor acumulado previamente

al pico de demanda es de 723.79 kg, superior al vapor necesario durante la

descarga 697.64 kg, por lo que esta suposición valdría para el diseño del

acumulador. No obstante la diferencia entre el vapor acumulado y el necesario es

de 26.15 kg, un 4 % del total del vapor demandado durante los picos de demanda,


59

por lo que necesitamos buscar un valor de que reduzca esta diferencia para

optimizar nuestros recursos.

Tabla 13: Evolución demanda con = 4985 kg/h.

ITERACIÓN 3

Realizando varias iteraciones en la hoja de cálculo destinada a tal fin, obtenemos

que la tasa óptima de producción constante de vapor de la caldera debe ser:

= 4977.3 kg/h

Podemos observar en la Tabla 14 que con = 4977.3 kg/h, el vapor acumulado

en el acumulador de vapor previamente al pico de demanda será igual al vapor

necesario durante el pico de demanda.

Con los resultados obtenidos tomamos la primera decisión de diseño, establecer el

valor de producción constante de vapor de la caldera a:

= 4977.3 kg/h


60

Tabla 14: Evolución demanda con = 4977.3 kg/h.

Tomando = 4977.3 kg/h la cantidad máxima de aportación de vapor por

parte del acumulador será:

= 700.68 kg [II]

Una vez establecido el valor de producción constante de vapor de la caldera y

obtenido la cantidad máxima de aportación de vapor por parte del acumulador, el

siguiente paso en el diseño será el de obtener el volumen total del recipiente

presurizado de nuestro acumulador de vapor.

Para ello debemos calcular la proporción de vapor flash que se producirá en el

acumulador respecto a la masa de agua almacenada, para ello utilizaremos la

siguiente ecuación proporcionada por Spirax Sarco (2012):

[III]

[kg vapor/kg agua]: cantidad de vapor liberada en el acumulador por cantidad

de agua acumulada.

[kJ/kg]: entalpía del vapor saturado a la presión de entrada del sistema.


61

[kJ/kg]: entalpía del vapor saturado a la presión de consumo del proceso.

[kJ/kg]: entalpía de vaporización del vapor saturado a la presión de consumo

del proceso.

Resolviendo para el caso que estudiamos, con =12 bar y =6 bar y obteniendo

las respectivas entalpías de las tablas de vapor proporcionadas por Unican

mostradas en el anexo G:

⁄

De las ecuaciones [II] y [III] obtenemos la máxima cantidad de agua que se

acumularía en el acumulador de vapor:

Por otro lado, el volumen específico del agua a una presión de 12 bar será igual a:

v= 0.00138

⁄

Por lo que el volumen de agua acumulada será de:

= 15.76

Por último, como se comentó en apartados anteriores, el porcentaje óptimo de

llenado para acumuladores de vapor horizontales es del 90%, por lo que el

volumen total del acumulador será de:

= 17.51

De los catálogos de fabricantes, previamente mostrados, para un volumen del

acumulador necesario de 17,51 , optaremos por elegir el modelo ABA 20000 del

fabricante Aralsan, con un volumen de 20 .


62

Con esta elección, además de garantizar el funcionamiento óptimo dadas las

características de la demanda para este proceso, tendremos la seguridad de que

ante cualquier modificación esperada o inesperada en la demanda o en la

producción, el acumulador tenga cierta capacidad de respuesta al instalarse con un

volumen en torno a los 2.5 superior al estrictamente necesario para responder

a la demanda de nuestro estudio.

Las dimensiones del modelo ABA 20000 del fabricante Aralsan, las obtenemos de

la Tabla 7 y son las siguientes:

Modelo ABA 20000

Volumen= 20 . Longitud= 14.06 m. Ancho= 1.6 m. Altura= 2.7 m.

Por último, deberemos asegurar que el vapor que se libere del acumulador sea

vapor seco.

Diferentes estudios experimentales recogidos en Spirax Sarco (2012), nos

muestran que la tasa a la que el vapor seco puede ser liberado de la superficie del

agua es función de la presión. En la Figura 56 se representa la máxima tasa de

liberación de vapor para que no se produzca vapor húmedo en función de la

presión. Una buena aproximación de trabajo es la siguiente:

[IV]

[kg/ ]: máxima tasa de liberación de vapor sin arrastre de agua.

p [bar a]: presión de operación del acumulador de vapor.

De [IV] sacaremos la tasa de liberación máxima permitida de vapor seco para

nuestro proceso:

kg/

Ahora debemos obtener la tasa de liberación de vapor en el acumulador de vapor

con nuestras especificaciones del diseño y comprobar que es menor que la

obtenida de [IV], para garantizar que vapor generado por nuestro acumulador de

vapor es seco.


63

Figura 56: Tasa de liberación de vapor en función de la presión.

De las dimensiones del modelo ABA 20000, obtenemos que el área superficial de

agua es de 22.5 .

La máxima tasa de liberación de vapor desde el acumulador será de 3022.7 kg/h

que se dará en el momento en el que la demanda sea máxima.

La máxima tasa de liberación de vapor será:

134.34 kg/

Comprobamos así que la tasa de liberación máxima que se podrá llegar a dar en

nuestro acumulador será bastante menor que la tasa de liberación máxima

permitida para que el vapor generado no presente agua arrastrada.

Podremos garantizar por tanto que el vapor que produzca el acumulador será

vapor seco.

Una vez realizado el diseño del recipiente presurizado del acumulador y haber

seleccionado el modelo correspondiente, se deberá diseñar el resto de accesorios

necesarios en una instalación con un acumulador de vapor.


64

Dimensionado y elección del equipo de inyección de vapor.

Para poder realizar un correcto diseño y la elección óptima del equipo de inyección

de vapor de nuestra instalación, deberemos de conocer los siguientes datos de la

instalación:

-Presión en la caldera ( ): En nuestro caso =12 bar.

-Presión en la línea de consumo ( ): En nuestro caso =6 bar.

-Máxima caída de presión permitida (ΔP): En nuestro caso ΔP= 6 bar.

-Flujo de vapor ( : Consideraremos que el flujo máximo de vapor que se pueda

dar en nuestra instalación será el que genera la caldera, por lo que en nuestro caso

=4977.3 kg/h.

Para poder diseñar y seleccionar el equipo de inyección de vapor, generalmente los

fabricantes suministran una serie de gráficos para con los datos disponibles poder

seleccionar el tipo de inyectores.

Spirax Sarco (2012) nos proporciona el siguiente gráfico representado en la Figura

57 para el cálculo del equipo de inyección.

Figura 57: Cálculo de equipo de inyección de vapor.

El procedimiento que se debe realizar para el cálculo del equipo de inyección,

apoyado en el anterior gráfico es el siguiente:

-Trazar una línea horizontal hacia la derecha, desde el valor de presión de entrada

hasta que dicha línea corte con la caída de presión que se da en el sistema (A).


65

-Desde A, trazar una línea vertical descendente hasta que corte con el valor del

inyector (B).

-Desde B, trazar una línea horizontal hacia la izquierda hasta que intersecte con el

eje vertical (C). El valor mostrado será la capacidad del inyector (en el ejemplo

aproximadamente 1200 kg/h).

Para nuestra aplicación, escogeremos un sistema electroneumático para el control

de los inyectores, que nos proporcionará un mayor control de la aplicación que si

optásemos por la elección de un sistema autoaccionado.

Del anexo A, dónde se muestran el tipo de inyectores disponibles en el mercado del

fabricante Spirax Sarco, obtenemos la Tabla 15 de valores de .

Tabla 15: inyectores sistemas electroneumáticos.

Realizando el procedimiento descrito anteriormente, averiguamos la capacidad

que tendrían en nuestra instalación los inyectores IN25M e IN40M, con los

resultados veremos cuál de ellos es el idóneo para nuestra instalación.

En la Figura 58 vemos el procedimiento descrito anteriormente:

Desde el eje vertical, desde el valor de presión de entrada a nuestro sistema ( =12

bar) hemos trazado una línea horizontal hacia la derecha, hasta que dicha línea

corta en el punto A con la línea de caída de presión (ΔP= 6 bar).

Desde el punto A, trazamos una línea vertical descendente, hasta que corta con los

valores respectivos de de los inyectores IN25M ( y IN40M ( ,

dándonos respectivamente los puntos y .

Trazando una línea horizontal hacia la izquierda desde estos dos últimos puntos,

obtenemos las capacidades que tendría los inyectores de ambos tipos en nuestra

instalación ( y ).

Vemos que si los inyectores elegidos fueran del tipo IN25M ( =4), la capacidad

que tendrían en nuestra instalación sería de 575 kg/h (C1) cada uno. Por lo que

harían falta mínimo 9 inyectores para poder garantizar que el flujo máximo en

nuestra instalación (4977.3 kg/h) pudiera ser suministrado.

Si los inyectores elegidos fueran del tipo IN40M ( =10), la capacidad que

tendrían en nuestra instalación sería de 1440 kg/h (C2) cada uno. Por lo que

harían falta 4 inyectores para poder garantizar que el flujo máximo en nuestra

instalación (4977.3 kg/h) pudiera ser suministrado.


66

Figura 58: Cálculo capacidades inyectores.


67

No sé han realizado los cálculos con los inyectores del tipo IN15M al ser el tamaño

de nuestra instalación bastante grande como para usar estos inyectores de tamaño

menor.

Al ser la longitud de nuestro recipiente de 14.06 m, optaremos por elegir la

instalación de inyectores del tipo IN25M antes que la instalación de inyectores del

tipo IN40M ya que con este tamaño de longitud es preferible la instalación de un

mayor número de inyectores para asegurar que la mezcla del vapor con el agua

acumulada en el recipiente a presión sea más homogénea y se asegure una

correcta mezcla.

Recordemos que la instalación de los inyectores debe realizarse en la zona más

baja posible del acumulador para asegurar la mayor cantidad de agua por encima

de estos, pues como ya hemos dicho anteriormente, la descarga se realiza en el

lecho líquido.

Asimismo, se recomienda instalar los inyectores con un cierto ángulo para evitar la

erosión de la zona interna del acumulador.

Figura 59: Equipo de inyección de vapor en nuestra instalación.

En la Figura 59 se puede ver el resultado de nuestro diseño, se colocarán 10

inyectores del tipo IN25M.


68

Una vez seleccionado el tamaño y el número de inyectores necesarios para nuestra

planta, una serie de cálculos deberán realizarse para asegurar que el agua

almacenada puede alcanzar la presión deseada en el tiempo disponible,

considerando las capacidades de los inyectores.

Deberemos garantizar que al final de cada uno de los ciclos de carga del

acumulador, la presión que se alcanza dentro del acumulador de vapor sea igual

que la presión del vapor que es generado en la caldera, en nuestro caso deberemos

garantizar que al final del proceso de carga, en el acumulador de vapor se haya

alcanzado una presión de 12 bar.

Analizaremos en nuestra instalación, el ciclo comprendido entre las 11:30 y las

15:00 h. Debemos tener en cuenta que del ciclo anterior contamos con un período

en el que se acumula una cierta cantidad de vapor, ese período lo consideraremos

como el primer período que analizamos de la acumulación de nuestro ciclo. El

resto de períodos, los tomaremos de quince minutos, salvo el último previo al

comienzo de descarga del acumulador, que comenzará a las 14:30 h y que durará

hasta que el acumulador empiece a descargarse, en nuestro caso, 8 segundos.

Por lo que disponemos de 14 períodos de carga del acumulador, dónde deberemos

estudiar la evolución de la temperatura y de presión dentro del acumulador, para

garantizar que al final de la carga se alcance la temperatura de saturación

correspondiente a una presión de 12 bar, necesario para una correcta descarga del

acumulador.

Lo primero que deberemos hacer para cada uno de los períodos, será calcular la

cantidad de vapor inyectada ( ).

Una vez que sepamos la cantidad de vapor, podremos calcular la energía añadida

con la siguiente ecuación:

[V]

[kg/h]: cantidad de vapor inyectada en el acumulador en cada período.

[kJ/kg]: entalpía de vaporización del vapor a p=12 bar.

Q [kJ]: energía añadida al acumulador en un período.

Sabiendo la cantidad de energía añadida al acumulador en el período, podremos

calcular el cambio de temperatura que se producirá en el agua acumulada en el

interior del acumulador debido a la inyección del vapor en cada uno de los

períodos, a partir de la siguiente ecuación:


69

[VI]

[kg]: masa de agua acumulada en el interior del acumulador de vapor.

[°]: variación de temperatura en el interior del acumulador durante un período.

Una vez calculada la variación de temperatura en el interior del acumulador en

cada período, únicamente nos faltará hacer un balance de masa/temperatura para

cada uno de los períodos, entre la masa inyectada de vapor a su respectiva

temperatura y la masa de agua almacenada en cada uno de los períodos a su

respectiva temperatura, para poder calcular la temperatura final de la mezcla para

cada uno de los períodos.

Realizando los cálculos anteriores en el software Matlab como se indica en el anexo

H, obtenemos la evolución de la temperatura en el interior del acumulador en el

período de carga comprendido entre las 11:27:58 y las 14:30:08, como podemos

ver en la Figura 60.

Figura 60: Evolución de la temperatura en el interior del acumulador en el segundo ciclo de carga.


70

Tabla 16: Temperatura en el interior del acumulador en el inicio de cada uno de los períodos del segundo ciclo de carga.

Como podemos ver en la Tabla 16, la temperatura de saturación correspondiente a

la presión de 12 bar requerida se alcanza a las 14:15, luego el diseño y selección de

los inyectores de vapor es correcto, ya que el acumulador de vapor estará

completamente cargado antes del final de nuestro ciclo de carga.

Al ser las condiciones del tercer ciclo de carga idénticas a las del segundo vemos

que efectivamente con el diseño de los inyectores previamente realizado se

garantiza un correcto funcionamiento de nuestro acumulador de vapor en la

instalación.

Dimensionado y elección de tuberías.

Como se comentó en el apartado 2.4.3., la tubería entre la caldera y el acumulador

de vapor será diseñada de forma que en condiciones generales, la velocidad del

vapor que circule por la tubería se encuentre entre 25 y 30 m/s. Recordemos

también que el dimensionado de dicha tubería depende directamente de la

capacidad de producción de la caldera.

En nuestra instalación, el vapor que produzca la caldera será igual a 4977.3 kg/h.

Si interpolamos en la Tabla 22 del anexo B para una presión de 12 bar, que será la

de nuestra instalación, y una velocidad del vapor requerida de 25 m/s, vemos que

una tubería Schedule 80 de tamaño 125 mm se adecúa a nuestros requisitos de


71

diseño, ya que para la presión en esta tubería de 12 bar garantizará que la

velocidad de vapor en el interior sea de 25 m/s y establecerá una capacidad

máxima de 7397.5 kg/h, superior a la máxima que producirá nuestra caldera de

4977.3.

Debemos recordar también que en esta tubería deberemos disponer de una

válvula de mantenimiento de presión que nos garantice que la presión en este

tramo se mantenga constante.

Por otro lado, la tubería entre el acumulador de vapor y los consumidores de baja

debe diseñarse para que el vapor circule entre 25 y 30 m/s, pero en este caso,

teniendo en cuenta el máximo pico de producción de vapor que puede generar el

acumulador a la presión de baja de nuestra instalación, en nuestro caso

recordemos que es de 6 bar.

Para nuestra instalación, el máximo pico de producción de vapor que podrá

generar el acumulador de vapor, será igual a 3022.7 kg/h, resultado de restar a la

demanda máxima de nuestra planta (8000 kg/h) la tasa de producción constante

de la caldera (4977.3 kg/h).

Con estos resultados, optaremos por seleccionar una tubería Schedule 80 de

tamaño 125 mm, que como podemos ver en la Tabla 22 del anexo B garantizará

que el vapor en el interior de dicha tubería circule a una velocidad cercana a los 25

m/s, garantizando también que la capacidad de la tubería seleccionada (4250

kg/h) es superior al máximo pico de producción de vapor que puede generar el

acumulador a la presión de 6 bar, que como vimos anteriormente era de 3022.7

kg/h.

Dimensionado y elección de la válvula reductora de presión.

Lo primero que debemos considerar a la hora de la elección de la válvula reductora

de presión, será la caída de presión en nuestra instalación, en nuestro caso habrá

una relación de presiones de 2:1, ya que pasaremos de una presión de 12 bar a una

de 6 bar. Al ser la relación de presiones menor que 10:1, no será necesario trabajar

con válvulas en serie, por lo que con una única válvula reductora bien seleccionada

será suficiente.

Como en nuestra instalación vamos a necesitar de un control fino, ya que no se

trata de cargas pequeñas, optaremos por la elección de una válvula reductora de

presión pilotada, de las que dispondremos de toda la información del fabricante

Spirax Sarco en el anexo C.

Para un correcto dimensionamiento de nuestra válvula seguiremos el

procedimiento que se describe a continuación, representado en la Figura 61.


72

En nuestro caso se precisa una válvula para reducir un máximo de 4977.3 kg/h de

12 a 6 bar. Para ello, buscamos el punto dónde la línea de alta a 12 bar cruza con la

línea de baja a 6 bar. Descendiendo con una línea perpendicular desde ese punto,

nos dará la capacidad de todos los tamaños de válvulas pilotadas DP bajo estas

condiciones.

En nuestro caso vemos que una válvula DN80 es el único tamaño que permitirá la

carga requerida. De la información obtenida del anexo C, llegamos a la conclusión

de que una válvula DP143 de tamaño DN80 será la más indicada para nuestra

instalación.

Figura 61: Proceso para la elección de la válvula reductora de presión pilotada.


73

Dimensionado y elección del rompedor de vacío.

En el anexo D, disponemos de toda la información acerca de los modelos de

rompedores de vacío de uso industrial de uno de los principales fabricantes, Spirax

Sarco.

Teniendo en cuenta las condiciones de presión y temperatura máxima que se

darán en nuestra instalación, 12 bar y 188° respectivamente, optaremos por la

elección de un rompedor de vacío de latón VB 14, que como podemos observar en

el anexo D, cumplirá con nuestros requisitos de temperatura y presión máxima, y

será más económico que la elección de un rompedor de vacío de acero inoxidable

austenítico.

Dimensionado y elección de la válvula antirretorno.

Para el caso de nuestra instalación, la elección de dos válvulas de disco DCV9 de

tamaño DN80 será una elección correcta para impedir el flujo inverso en ambas

tuberías; tanto de la tubería que sale de la caldera, como de la que sale desde el

acumulador, ya que sus características, como podemos ver en el anexo E, satisfacen

las condiciones de nuestra instalación.

Dimensionado y elección de la válvula de seguridad.

Para la elección de la válvula de seguridad de nuestra instalación, usaremos los

datos de la Tabla 39 del anexo F.

Vemos que para una presión en el interior del acumulador en el caso más

desfavorable de 6 bar, se deberá elegir una válvula SV615 de tamaño 50 DN, para

poder garantizar la descarga segura de todo el vapor presente en el acumulador.


74

CAPÍTULO 4: RESUMEN Y CONCLUSIONES.

Como hemos podido ver a lo largo de este proyecto el acumulador de vapor es una

herramienta muy útil en una planta industrial, presentando numerosas ventajas

que promueven su utilización. Podemos destacar entre otras las siguientes:

Los acumuladores de vapor evitan la necesidad de dimensionar la caldera

de vapor basándose en la demanda punta.

Disponibilidad inmediata en la planta de la cantidad requerida de vapor

para el proceso.

Es una operación flexible y controlable.

La utilización del acumulador de vapor supone un ahorro de energía ya que

el quemador de la caldera funciona progresiva y racionalmente.

Nos garantiza una presión y una calidad de vapor constante.

Evitan la tensión que sufren las estructuras de la caldera al mitigar los

cambios bruscos de demanda.

La instalación de un acumulador de vapor logra la compensación de breves

picos de rendimiento.

Se produce una reducción del arrastre de agua y sus consecuencias

negativas.

Se reduce el consumo de energía y del desgaste que supone un aumento en

la vida útil de la instalación y un ahorro de mantenimiento.

Tampoco debemos de olvidar una serie de inconvenientes que se darán al instalar

un acumulador de vapor en nuestra planta y que deberemos estudiar para lograr

mitigar sus efectos. Fundamentalmente estos inconvenientes son los siguientes:

Se producirá un incremento del coste de la instalación, principalmente

debido al precio del recipiente presurizado así como también de todos los

accesorios y equipos necesarios para la instalación de un acumulador de

vapor.

La instalación de un acumulador de vapor también conllevará un

incremento del volumen de la instalación.

Podemos garantizar que los acumuladores de vapor no son reliquias del pasado. Al

contrario, los acumuladores de vapor han sido instalados recientemente en

industrias de tecnología moderna, como industrias biotecnológicas, hospitales e

industrias relacionadas con esterilización, en la industria de la estampación, así

como también en industrias tradicionales como la industria cervezera o la de la

pintura.


75

Las calderas modernas han ido reduciendo cada vez más su tamaño y también hay

un incremento en la utilización de calderas espirales y calderas anulares, todas

ellas eficientes, pero que reducen la capacidad térmica del sistema, haciéndolo

vulnerable a problemas asociados a picos de carga en la demanda.

Hay aún más aplicaciones para los acumuladores de vapor. Para largos períodos de

pico de demanda con los que la caldera tiene que lidiar en los últimos tiempos, un

acumulador de vapor puede llegar a almacenar, por ejemplo, 5 minutos de picos de

carga, dando tiempo a la caldera a reaccionar y a llegar a alcanzar una salida

segura. Las posibilidades son inacabables.

En resumen, el acumulador de vapor es una herramienta muy eficiente, así como

también es la forma más efectiva de poder suministrar vapor a los procesos de

cargas intermitentes.


76

ANEXO A: Inyectores de vapor para uso industrial.

Tabla 17: Capacidades de los inyectores.

Tabla 18: Capacidades de inyectores con válvula de control en sistemas

autoaccionados.


77

Tabla 19: Capacidades de inyectores con válvula de control en sistemas

electroneumáticos.

Tabla 20: Dimensiones en mm y en kg de los inyectores de vapor para uso

industrial.


78

ANEXO B: Tuberías para uso industrial.

Tabla 21: Dimensiones tuberías más utilizadas.

Tabla 22: Capacidades de tubería para vapor saturado a velocidades específicas

(tubería de Schedule 80).


79

Tabla 23: Aislamiento y pérdidas asociadas a tuberías de procesos.


80

ANEXO C: Válvulas reductoras de presión para uso industrial.

Figura 62: Parámetros a seleccionar en válvulas reductoras de presión de acción

directa.

Tabla 24: Características según tipo de válvulas reductoras de presión de acción

directa.


81

Figura 63: Rangos de operación válvulas reductoras de presión DRV de acción

directa.

Tabla 25: Tamaños de conexión válvulas reductoras de presión de acción directa.


82

Tabla 26: Actuadores para válvulas reductoras de presión de acción directa.

Tabla 27: Dimensiones aproximadas en mm de válvulas reductoras de presión con

piloto.


83

Figura 64: Especificaciones técnicas de válvulas reductoras de presión con piloto.


84

ANEXO D: Rompedores de vacío para uso industrial.

Tabla 28: Características rompedores de vacío.

Figura 65: Rango de operación de los rompedores de vacío.


85

Tabla 29: Dimensiones en mm de los rompedores de vacío.

Figura 66: Rango de operación de los rompedores de vacío.


86

ANEXO E: Válvulas de retención de disco para uso industrial.

Válvulas de retención de disco tipos DCV1, DCV2 y DCV3

Tabla 30: Dimensiones y pesos aproximados (en mm. y kg.) de válvulas tipo DCV1, DCV2 y DCV3.


87

Tabla 31: Materiales y condiciones límites para válvulas DCV1, DCV2 y DCV3.

Figura 67: Rangos de operación de válvulas DCV1, DCV2 y DCV3.


88

Válvulas de retención de disco tipos DCV4 y DCV9

Tabla 32: Dimensiones y pesos aproximados (en mm. y kg.) de válvulas tipo DCV4 y DCV9.


89

Tabla 33:Materiales y condiciones límite para válvulas DCV4.

Figura 68: Rangos de operación de válvulas DCV4.


90

Tabla 34: Materiales y condiciones límite para válvulas DCV9.

Figura 69: Rango de operación de válvulas DCV9.


91

Válvulas de retención de disco tipos DCV7 y DCV8

Tabla 35: Dimensiones y pesos aproximados (en mm. y kg.) de válvulas tipo DCV7 y DCV8.


92

Tabla 36: Materiales y condiciones límite para válvulas DCV7 y DCV8.

Figura 70: Rango de operación de válvulas DCV7 y DCV8.


93

ANEXO F: Válvulas de seguridad para uso industrial.

Tabla 37: Dimensiones y pesos aproximados (en mm. y kg.) de válvulas de seguridad SV615.

Tabla 38: Datos técnicos de válvula de seguridad SV165.


94

Tabla 39: Capacidades para vapor saturado kg/h de válvulas de seguridad SV615.

Tabla 40: Guía de selección para válvulas de seguridad.


95

ANEXO G: Propiedades del agua saturada (líquido-vapor).

Tabla 41: Propiedades del agua saturada (líquido-vapor). Tabla de presiones.


96

ANEXO H: Cálculo de evolución de temperaturas en el segundo ciclo de carga con el software Matlab.

%%---Inicialización de variables necesarias---%% T_ini= zeros(1,14); T_fin= zeros(1,14); m_inyec= zeros(1,14); Q_inyec= zeros(1,14); DELTA_T= zeros(1,14); m_ini= zeros(1,14); m_fin= zeros(1,14); %%---Condiciones iniciales---%% Cp= 4.18; t= [122,900,900,900,900,900,900,900,900,900,900,900,900,8]; mm= [4738.65, 4725, 4725, 4700, 4850, 4850, 4700, 4675, 4800, 4625, 4725, 4775, 4775,4963.5]; %%Demanda media de cada periodo de acumulacion [kg/h] mc=4977.3; %%Tasa de produccion de vapor de la caldera [kg/h] Pv=12; %%Presion inyeccion de vapor en el acumulador [bar] T_sat=XSteam('TSat_p',Pv); %%Temperatura de saturación a Pv m_agua=11421.03; %%Cantidad de agua necesaria en el acumulador [kg] m_vap_acum=700.68; %%Masa Vapor liberada en cada ciclo [kg] h_Vap=XSteam('hV_p',Pv)-XSteam('hL_p',Pv); %%Entalpia Vaporización [kJ/kg] %%Cálculo de temperaturas T_ini(1)=XSteam('TSat_p',6); m_ini(1)=m_agua-m_vap_acum; for j=1:14 m_inyec(j)=(mc-mm(j))/3600*t(j); Q_inyec(j)=m_inyec(j)*h_Vap; DELTA_T(j)=Q_inyec(j)/(m_ini(j)*Cp); m_fin(j)=m_ini(j)+m_inyec(j); T_fin(j)=((T_ini(j)+DELTA_T(j))*m_ini(j)+T_sat*m_inyec(j))/m_fin(j); if T_fin(j)>T_sat T_fin(j)=T_sat; end m_ini(j+1)=m_fin(j); if j==14 break else T_ini(j+1)=T_fin(j); end end tiempo(1)=0; tiempo(2)=t(1)/60; for j=3:15 tiempo(j)=(t(j-1)+sum(t(1:j-2)))/60; end T_fin2=[T_ini(1),T_fin]; plot(tiempo,T_fin2) xlabel('Tiempo de Carga del Acumulador en el Segundo Ciclo [min]') ylabel('Temperatura del Acumulador [ºC]') title('Evolución del la Temperatura del Acumulador en el Segundo Ciclo de Carga') axis ([0 tiempo(15) 150 190])


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