Métodos de Cálculo de Consumo de Vapor para Plantas Industriales

Antes de que sea posible el correcto dimensionado de una válvula de control de vapor, sistema de distribución, o incluso una caldera, es necesario saber con la máxima precisión posible la cantidad de vapor requerida y por ello que te presentamos en este post los métodos de cálculo de consumo de vapor para plantas industriales.

Entendamos primero los tipos de caudales de vapor de calentamiento. Prácticamente todos los caudales de calentamiento pueden clasificarse en dos categorías:

• Aumento de temperatura – calentamiento de un material desde una temperatura inferior a una temperatura superior.
• Mantenimiento de temperatura – compensación de las pérdidas de calor para mantener una temperatura fijada.

Normalmente, en la aplicación de un intercambiador de calor es el caso primero, con un producto que entra en el lado secundario del intercambiador a una temperatura dada y lo abandona a una temperatura superior.

Modos de cálculo de consumo de vapor para plantas industriales

El consumo de vapor puede obtenerse de uno de estos tres modos:.

• Medición
• Información del fabricante
• Cálculo

Medición del consumo de vapor

Obviamente, el flujo de vapor no se puede medir en la etapa de diseño de una instalación. La medición del flujo de vapor sólo puede usarse para establecer el caudal de vapor de una instalación existente.

Se dispone de dos métodos de medición; la medición del flujo de vapor dentro del proceso, o la medición del condensado resultante del proceso.

Información del fabricante

Algunas unidades de materiales manufacturados se sirven con información sobre sus prestaciones térmicas.

Estos valores se basarán normalmente en elevar un incremento de temperatura dado, una cantidad indicada de aire o agua, utilizando vapor a una presión específica.

No debe nunca asumirse que los datos del fabricante equivalen al caudal real. Un intercambiador de calor puede estar capacitado para un determinado servicio, pero el caudal real conectado puede ser solamente una fracción de éste, u ocasionalmente puede exceder el valor de diseño.

Cálculo del consumo de vapor

La cantidad de calor que se requiere para producir un incremento de temperatura viene dado por la Fórmula 2a.

El calor específico de un material es la cantidad de calor que se requiere para elevar 1ºC una unidad de masa (1 kg). En la siguiente tabla se exponen los calores específicos y los pesos específicos de varios líquidos.

Como usualmente se requiere el caudal de vapor, la Fórmula 2b será normalmente de mas utilidad.

Cuando se requiere calor para compensar las pérdidas térmicas, el caudal de vapor se puede calcular con la Fórmula 3a.

El coeficiente de transmisión de calor “k”, es un valor que da la velocidad global a la que se espera que el calor viaje desde un medio caliente a un medio mas frío, a través de la barrera que los separa.

Algunos valores típicos de “k”, expresados en W / m2 ºC, para el flujo de calor que sale del vapor, y a través del acero inoxidable llega a varios líquidos en intercambiadores de calor de placas, aparecen en la siguiente tabla.

Estos coeficientes se ven afectados por otros factores y sólo deben tomarse en cuenta como aproximaciones.

El área a la que se refiere la fórmula anterior, es el área sobre la cual tiene lugar esta transferencia de calor. De nuevo, como suele requerirse el caudal de vapor, la Fórmula 3b usualmente será de mayor utilidad.

Cálculo del caudal de vapor en intercambiadores de calor

Uno de los cálculo de consumo de vapor para plantas industriales más importantes tienen que ver con el caudal de vapor en los intercambiadores de calor.

Cuando se considera el caudal de vapor en un intercambiador de calor, se debe entregar suficiente vapor al lado primario del intercambiador para conseguir el incremento de temperatura requerido en el líquido o gas que pasa a través del lado secundario del intercambiador.

Usualmente dispondremos del caudal de fluido del secundario y del salto térmico que se requiere para éste. Derivada de la Fórmula 3b, la Fórmula 4 nos proporciona el caudal de vapor necesario cuando el caudal que atraviesa el secundario está expresado en m3/ h.

A veces el calor requerido en una aplicación de intercambio de calor, vendrá expresado como un requerimiento de energía dado en kilovatios (KW) o megavatios (MW).

Un vatio es una unidad de potencia equivalente a 1 julio por segundo (J/s), donde el julio es una unidad básica de energía.

Si los requerimientos de calor vienen expresa- dos en estas unidades, pueden convertirse a caudal de vapor utilizando la Fórmula 5 o la Fórmula 6.

Siempre debe recordarse que incluso si se proporciona la cantidad correcta de vapor, en las mejores condiciones posibles, las condiciones requeridas en el secundario no se alcanzarán si el intercambiador tiene unas dimensiones insuficientes. La capacidad de un intercambiador para alcanzar las condiciones dadas, puede compro- barse utilizando la Fórmula 2a, siempre que la superficie de intercambio de calor y el coeficiente de transmisión de calor sean conocidos.

Muchos ingenieros están interesados en calcular el coste de producir vapor en sus instalaciones, veamos un algunos ejemplos:

Ejemplos de cálculo de consumo de vapor para plantas industriales

Ejemplo 1: Calcular el caudal de vapor en un intercambiador requirido para calentar 15 m3/h de agua desde 20°C a 60°C. La presió n del vapor es de 2 bar r.

Ejemplo 2: Calcular el caudal de vapor que se requiere en un intercambiador para calentar 15 m3/ h de agua desde 20oC a 60oC. La presión del vapor es de 2 bar r.

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