Método gráfico de interrupción de flujo en sistemas de vapor

El gráfico de interrupción de flujo en sistemas de vapor es un método que ofrece resultados un poco menos precisos que el enfoque matemático. De hecho, quienes no deseen utilizar el procedimiento matemático, pueden utilizar esta manera más sencilla con la cual es viable alcanzar un resultado práctico, pero perfectamente adecuado para la mayoría de los usos.

Por definición, la interrupción del flujo en intercambiadores para vapor se producirá cuando la presión del vapor en el intercambiador sea inferior o igual a la contrapresión del condensado. Una reducción en la carga de calor se debe, normalmente, a un aumento en la temperatura de entrada o una reducción en el caudal del fluido secundario, y exige reducir la presión del vapor para mantener el control.

En ocasiones, la interrupción del flujo en instalaciones de vapor puede deberse a una combinación de ellos o tal vez a un descenso en la temperatura de salida debido a un cambio en el punto de consigna.

 

Gráfico de interrupción de flujo en sistemas de vapor: Caudal constante en el secundario con temperatura de entrada variable

En este tipo de intercambiador de calor, el caudal en el secundario y la temperatura de salida permanecen constantes mientras que la temperatura de entrada varía con los cambios en la carga de calor.

A plena carga, la temperatura de entrada estará en su punto más bajo. Con un caudal del secundario constante a través del intercambiador de calor, cualquier reducción en la carga de calor provocará un aumento en la temperatura de entrada.

El gráfico de interrupción de flujo en sistemas de vapor puede mostrar cómo la temperatura del vapor y la temperatura de entrada cambian a medida que cambia la carga de calor y predice la temperatura de entrada en la condición de interrupción en intercambiadores de vapor de placas y carga mínima.

En condiciones de plena carga, la diferencia de temperatura entre el vapor y el fluido secundario será grande. Por el contrario, en condiciones sin carga no existe intercambio de calor, de modo que el vapor y el fluido del secundario se encontrarán a la misma temperatura y la diferencia de temperatura entre ellos será cero. Por proporcionalidad, a una carga del 50% esta diferencia de temperatura será del 50% de su valor máximo.

Por este principio básico de proporcionalidad, es posible trazar dos líneas rectas en un gráfico para representar todas estas condiciones. A plena carga, las líneas estarán separadas al máximo, lo que muestra que la diferencia de temperatura está en su valor máximo. Sin carga, las líneas convergen en un solo punto, lo que indica que la diferencia de temperatura es cero.

La figura anterior muestra un típico gráfico de interrupción de flujo en sistemas de vapor. Considera una temperatura del vapor de 120 °C que calienta un caudal constante de agua en el secundario de 20 °C a 80 °C. Debe observarse que la temperatura del vapor de 120 °C se alcanza por uno de estos dos medios:

• Se ha calculado a partir de las cifras de diseño de la LMTD, según los cálculos del módulo 13.4, que tienen en cuenta la superficie de intercambio de calor.
• Se ha observado la presión del espacio vapor durante el funcionamiento y se ha calculado la temperatura.

Primero, se marca la temperatura en intercambiadores de calor de placas para vapor, en condiciones de plena carga (punto A) en el eje vertical izquierdo del gráfico de interrupción de flujo en sistemas de vapor que se muestra al principio de este artículo. Después, se marca la temperatura de salida deseada del fluido en el secundario en el eje vertical derecho (punto B). La temperatura de entrada del fluido del secundario (punto C) a plena carga se marca en el eje vertical izquierdo.

Si se unen con una línea recta los puntos A y B, la línea AB representará cómo se altera la temperatura del vapor en función de los cambios en la carga de calor. Del mismo modo, si se unen con una línea recta los puntos B y C, la línea BC representará la temperatura de entrada variable del fluido del secundario a medida que varía la carga de calor.

Después es necesario añadir una línea horizontal para representar la temperatura de saturación de vapor equivalente a la contrapresión del condensado. Esta temperatura debe marcarse en el eje vertical derecho, como se muestra en la figura anterior (punto D). Después debe trazarse una línea recta para conectar este punto con la misma temperatura en el eje vertical izquierdo en el punto E.

La contrapresión del condensado tiene en cuenta la presión en el sistema de condensado y cualquier presión estática que puede deberse a una altura en la línea de descarga de condensado desde la parte inferior del intercambiador de calor. Una columna de líquido ejercerá una presión en su base debido a su propia masa. A menudo, se denomina “altura estática” cuando se ejerce sobre la salida del purgador.

Una columna de 1 metro de agua a la presión atmosférica ejercerá una presión en la base de la columna de aproximadamente 10 kPa o 0,1 bar r (en realidad, 9,806 65 kPa o 0,098 066 5 bar). Cualquier elevación en la línea de descarga de condensado ejercerá una elevación estática debido a la columna de condensado que contiene la línea, además de la posible presión en el sistema de condensado.

La línea horizontal DE cortará la línea AB o estará por encima del punto A en el gráfico. El punto de intersección entre las líneas AB y DE representa el “punto de interrupción de flujo”, donde la presión del vapor y la contrapresión son las mismas. Si la línea DE se encuentra en o por encima del punto A, el sistema funciona continuamente en condición de interrupción del flujo. (En sistemas con condensado al vacío o cuando B sea mayor de 100 °C, el punto D también puede estar por debajo del punto B, en cuyo caso el sistema no presentará interrupción del flujo a ninguna carga de calor).

Después, debe trazarse una línea vertical hacia abajo desde el punto de interrupción de flujo. El punto donde esta línea vertical corta el eje horizontal inferior (punto F) marca el porcentaje de carga de interrupción de flujo en relación con la carga de calor máxima. El porcentaje de carga de interrupción de flujo se puede calcular fácilmente usando la siguiente ecuación:

La línea vertical que conecta el punto de interrupción del flujo con el punto F también cortará la línea BC. Si se traza una línea horizontal desde este punto de intersección hasta el eje vertical izquierdo, marcará la temperatura de entrada del secundario a la que se produce la interrupción del flujo (punto G). 

 

Ejemplo de gráfico de interrupción de flujo en sistemas de vapor

La presión de vapor observada en un intercambiador de calor a plena carga es 7 bar r. La presión del condensado es 1 bar r, y existe una elevación después del purgador de 10 m. A plena carga, el fluido del secundario entra en el intercambiador de calor a 25 °C y sale del intercambiador de calor a 80 °C.

• ¿Cuál es el porcentaje de carga de calor en el momento de la interrupción del flujo?
• ¿Cuál es la temperatura de entrada en el secundario en el momento de la interrupción del flujo? 

La temperatura de saturación del vapor saturado a 7 bar r es 170 °C. Por lo tanto, la temperatura del vapor en el intercambiador de calor a plena carga es 170 °C. Esto puede representarse como el punto A en la siguiente figura:

Solución: Ejemplo de gráfico de interrupción de flujo en sistemas de vapor

• ¿Cuál es el porcentaje de carga de calor en el momento de la interrupción del flujo? 

La temperatura de salida del fluido del secundario de 80 °C debe representarse como el punto B en la figura anterior, mientras que la temperatura de entrada del fluido en el secundario de 25 °C a plena carga debe representarse como el punto C.

La elevación en la línea de condensado de 10 m crea una contrapresión de 1 bar, además de una presión de 1 bar r en el sistema de condensado. Por lo tanto, la contrapresión total del sistema es 2 bar r. Como la temperatura de saturación del vapor a 2 bar r es 135 °C, la línea horizontal DE que representa la contrapresión se añade a esta temperatura. 

El gráfico de interrupción de flujo en sistemas de vapor de la figura anterior muestra que el porcentaje de carga de calor en la interrupción del flujo (punto F) es aproximadamente del 61%. El cálculo matemático puede verificarse mediante la siguiente ecuación:

 

• ¿Cuál es la temperatura de entrada del secundario en el momento de la interrupción del flujo? 

El gráfico de interrupción de flujo en sistemas de vapor de la figura anterior también indica que la temperatura de entrada en la interrupción del flujo (punto G) es aproximadamente 46 °C o 47 °C. El cálculo matemático puede verificarse mediante la siguiente ecuación:

Por ejemplo, la carga de calor mínima del 61 % es equivalente a un factor de carga de 0,61.

 

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