Trampas de Vapor y Sistemas de Drenaje

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERÍA INSTALACIONES MECÁNICAS ING. ROBERTO GUZMÁN

TRAMPAS DE VAPOR Y SISTEMAS DE DRENAJE DE TUBERÍAS

Nombre: Carnet: Entrega:

MELVIN RICARDO AVILA HERNÁNDEZ 201020585 30/12/13

OBJETIVOS GENERAL 

Conocer las trampas de vapor y los sistemas de drenaje de tuberías utilizados en sistemas de tuberías en los cuales el fluido es vapor.

ESPECÍFICOS 

Determinar cuáles son los tipos de trampas de vapor más utilizados en la industria.

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Conocer cuáles son las diferentes aplicaciones que se le dan a las trampas de vapor.

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Conocer que sistemas de drenaje son utilizados en la industria y como es la instalación de los mismos.

INTRODUCCIÓN En sistemas los cuales funcionan a base de vapor tan pronto como el mismo deja la caldera empieza a ceder parte de su energía a cualquier superficie de menor temperatura. Al hacer esto, parte del vapor se condensa convirtiéndose en agua, prácticamente a la misma temperatura. Lo cual, la combinación de agua y vapor hace que el flujo de calor sea menor ya que el coeficiente de transferencia de calor del agua es menor que el del vapor. De acá se puede verificar que para la ingeniería mecánica tiene una gran importancia las trampas de vapor instaladas en instalaciones de tuberías las cuales transportan vapor para el uso diario en una empresa que utiliza algún equipo calentado con vapor. Las ventajas de utilizar trampas de vapor son muchas, nombrando unas de las más comunes la de economizar grandes cantidades del combustible requerido para calentar las inmensas cantidades de agua lo que conlleva a un ahorro en los costos no despreciables. Teniendo en cuenta la energía que puede entregar al trabajar con vapor es que en el mercado existen varios tipos de trampas de vapor, las cuales se dividen por grupos, los cuales serán detallados en el presente trabajo. El uso de trampas de vapor es muy importante pero como evacuar el condensado que se acumula en tales trampas, en ese momento es donde inicia la importancia de los sistemas de drenaje en todas las instalaciones de tubería las cuales conducen vapor, a continuación se describen algunos sistemas de drenajes utilizados industrialmente..

TRAMPAS DE VAPOR Dentro de los diferentes tipos de válvulas, las trampas de vapor se clasifican como válvulas automáticas que se encargan de filtrar el vapor condensado así como otros gases como el aire. Los gases como el aire no son condensables, pero también se filtran utilizando trampas de vapor. Esta filtración de gases no condensables se lleva a cabo sin permitir el paso del vapor. Al filtrar el vapor condensado, las trampas de vapor evitan que se desperdicie, de manera que puede ser reutilizado para otros procesos en los que el vapor sirve como medio de calentamiento o como fuerza motriz. La función de las trampas de vapor Muchos procesos industriales producen vapor, ya sea como desecho del proceso en sí o como parte del mismo, para calentamiento o para accionar mecanismos como fuerza motriz. Si una máquina, por ejemplo, produce grandes cantidades de vapor y los emite al aire libre, todo ese vapor se convierte en energía perdida que pudo aprovecharse en otros procesos. Cuando las trampas de vapor reciben el vapor condensado evitan que se pierda. De esta manera puede distribuirse hacia otros procesos industriales que lo necesiten, produciendo un ahorro en la producción de energía y de contaminantes potenciales. Las trampas de vapor permiten la eliminación del condensado y el aire del proceso productivo. Una vez que ha sido extraído el condesado se le puede regresar al área de calderas y se logra la maximización del uso de la energía, es decir, no hay desperdicio de energía o este desperdicio se reduce considerablemente. En términos generales, las trampas de vapor deben cumplir con tres acciones específicas: -

Mantener las condiciones de temperatura y presión mientras se drena el condensado. Aumentar el coeficiente de transferencia de calor al eliminar tanto el aire como otros gases no condensables. Se evita que se pierda vapor que puede ser utilizado como fuente de energía en otros procesos industriales.

TIPOS DE TRAMPAS DE VAPOR Podemos identificar tres principales tipos de trampas de vapor: las trampas mecánicas, las termodinámicas y las termostáticas. Trampas de vapor mecánicas En este tipo de trampas de vapor, casi siempre la válvula y el asiento están inundados. Esto impide que se pierda el vapor. Sin embargo, su tamaño es tan grande que se puede perder calor. Trampas de vapor termostáticas Las trampas de vapor termostáticas tienen la capacidad de mantener el condensado hasta que una parte de éste se enfría. La parte que se enfría permanece en la válvula principal y no hay pérdida de vapor. Trampas de vapor termodinámicas Las trampas de vapor termodinámicas pueden perder vapor cuando tienen una baja carga. Cuando el condensado se acerca la temperatura del vapor produce una especie de vapor instantáneo, también conocido como Flash. La expulsión de dicho vapor instantáneo provoca el cierre del orificio de escape de la trampa de vapor.

ENTRE LAS TRAMPAS DE VAPOR MÁS UTILIZADAS EN LA INDUSTRIA TENEMOS:  TRAMPA DE BALDE INVERTIDO Trampa de balde invertido. Purgador de condensado para sistemas de vapor con mínima perdida de vapor. Funcionamiento cíclico y una alta capacidad de evacuación de condensado caracterizan a la trampa de balde invertido como uno de los mejores y mayormente utilizados purgadores de condensado de vapor para equipos térmicos. - Presión máxima admisible 16 bar - Presión máxima de trabajo 14 bar

CARACTERÍSTICAS - Interior en acero inoxidable endurecido. - Resistente a golpes de ariete y vibración. - Bajo mantenimiento y costo inicial. - Mantención sin necesidad de ser retirada de la línea. - Mecanismo de la trampa con pasador que evita el desprendimiento del balde. -Cuerpo de la trampa en fundición durable, construcción robusta. - Proporciona años de servicio confiable. - Resistente a la suciedad.

FUNCIONAMIENTO

1 Cerrado, 2 Inicio descarga, 3 Descarga y 4 Cierre

1 Cerrado: Iniciado el proceso, aire y vapor entran a la trampa siendo contenidos dentro del balde que es obligado a subir permitiendo el cierre de la válvula de descarga. 2 Inicio descarga: En cuanto el condensado comienza a fluir hacia la trampa, el vapor y el aire son forzados a evacuar por un pequeño orificio superior de purga en el balde. Esto hace que el balde pierda flotabilidad y descienda permitiendo la apertura de la válvula de descarga. 3 Descarga: Cuando suficiente condensado ha entrado en la trampa desplazando el vapor y el aire, el balde desciende tirando por completo de la válvula permitiendo el ciclo de máxima descarga. 4 Cierre: A medida que el flujo de condensado disminuye, el vapor entra a la trampa y el balde comienza ascender, obligando a la válvula al cierre. Luego el ciclo se repite cuando nuevamente ingresa condensado a la trampa.

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TRAMPA DE FLOTADOR DE GRAN CAPACIDAD

Trampa de flotador y venteo termostático diseñada para sistemas de alto consumo de vapor y que requieran purga continua con caudales de descarga de hasta 50.000 kg/hr - Presión máxima de trabajo 12 bar - Temperatura máxima de trabajo 250°C

CARACTERÍSTICAS - Trampa de flotador de máxima capacidad. - Construcción robusta. - Excelente capacidad de descarga de aire. - Asiento preparado para condiciones de bajo régimen y evita fugas de vapor. - Resistente a golpes de ariete y a la corrosión.

- Flotador y mecanismos de la trampa en acero inoxidable con aleaciones especiales, para un máximo desempeño. - Descarga continua de condensado.

APLICACIONES - Sistemas con elevado régimen de generación de condensado. - Sistemas con elevados picos de consumo. - Cámaras de secado y equipos de secado de madera. - Intercambiadores de calor y radiadores.

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TRAMPA DE FLOTADOR Y VENTEO TERMOSTÁTICO

La trampa de flotador con eliminador de aire termostático, está especialmente diseñada para sistemas que requieran una capacidad de descarga no superior a los 6.000 kg/hr. la característica especial frente a otros modelos de trampas, es que la descarga de condensado se realiza de forma ininterrumpida. si bien esta característica la definen como el purgador idóneo para equipos de proceso de gran consumo de vapor, pero es un aspecto que debe ser analizado y puede jugar en contra cuando es instalada en sistemas de consumos de vapor variables que puedan llegar a bajos caudales durante tramos prolongados del proceso. Todos los modelos de trampas de flotador no tienen estanqueidad total, por lo que en ausencia de condensado, pueden generar una pérdida de vapor que a la larga suele ser perjudicial. - Presión máxima de trabajo 21 bar - Temperatura máxima de trabajo 300°C

CARACTERÍSTICAS - Construcción robusta en Hierro dúctil. - Flotador y mecanismos en acero inoxidable AISI 316L. - Descarga continua de condensado. - Gran capacidad de descarga. - Modelos para instalación vertical y horizontal. APLICACIONES Gran caudal de purga de condensado, intercambiadores de calor, cámaras de secado, unidad de calentadores y calderas de cocción.

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TRAMPA TERMODINÁMICA

El nombre de trampa termodinámica está asociado con su principio de funcionamiento de dos etapas: térmica y dinámica. al comienzo la presión del condensado eleva el disco desde el asiento de la trampa. el flujo es radial debajo del disco de la trampa hacia las salidas. la descarga del condensado prosigue hasta que el vapor llega a la trampa y al ser este un gas, adquiere mayor velocidad al pasar bajo el disco de la trampa generando un punto de baja presión bajo el disco haciendo que este baje y se posicione sobre su asiento. Luego de esto viene la etapa térmica en que la trampa no volverá a abrir hasta que el remanente de vapor de alta presión que quedo en la cámara y ejerciendo presión sobre el disco condense. Luego se igualan las presiones sobre y bajo el disco y la trampa vuelve a descargar condensado. -

Presión máxima de trabajo 40 bar. Temperatura máxima de trabajo 400°C

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CARACTERÍSTICAS - Diseño compacto. - Construcción completa en acero inoxidable. - Bajo costo, pero no reparable. - Instalación horizontal. Apropiada para instalaciones con excesivos golpes de ariete - No apropiada para instalaciones en intemperie. - No apropiada para equipos que requieren extracción instantánea de condesados.

FUNCIONAMIENTO Al comienzo la presión del condensado levanta el disco del asiento. El flujo es radial debajo del disco, hacia las salidas. La descarga prosigue hasta que el condensado se acerca a la temperatura de vapor. Entonces por principio dinámico un chorro de vapor flash reduce la presión debajo del disco y al mismo tiempo, por recompresión, origina presión en la cámara de control encima del disco, esto, empuja a este último contra su asiento, asegurando un cierre perfecto sin pérdida de vapor. La presión del vapor en la cámara de control, actuando sobre toda la superficie del disco, lo mantiene cerrado contra la presión de entrada que actúa sobre un área menor. Al acumularse condensado, se reduce el calor en la cámara de control, conforme se va condensando el vapor bloqueado en la cámara por principio térmico la presión se reduce. El disco es levantado por la presión de entrada y se descarga el condensado. 

TRAMPA TERMOSTÁTICA ALTA CAPACIDAD

Trampa termostática de múltiples capsulas (2, 4 o 6) para maximizar la capacidad de evacuación de condensados. Su diseño permite lograr caudales de descarga superiores a los 4.000 kg/hr, que antes, solo era posible para los modelos de trampas de flotador. Su construcción robusta y resistente a los golpes de ariete, hacen de esta trampa el purgador ideal para aquellas aplicaciones de alto consumo de vapor donde por causas de golpes de ariete la trampa de flotador no suele ser una buena alternativa. - Presión máxima de trabajo 22 bar - Temperatura máxima de trabajo 300°C

CARACTERÍSTICAS -

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Máxima eliminación de aire. Cierre hermético a temperatura de vapor. Sin mecanismos móviles. Mantención in-situ sin necesidad de extracción. No se ve afectada por cambios de presión o golpes de ariete. Recambio simple de bulbos termostáticos. Tamaño compacto vs capacidad.

TRAMPA TERMOSTÁTICA

Trampa termostática para vapor con filtro y valvula de retención incorporada.

CARACTERÍSTICAS - Descarga continua y sin fugas de vapor. - Máxima eliminación del aire. - Cierre hermético a temperatura de vapor. - Incorpora válvula de retención y filtro. - Mantención in-situ. - No se ve afectada por cambios de presión o golpes de ariete. FUNCIONAMIENTO La trampa termostática tiene una capsula interna contiene dos metales de diferente aleación de alta resistencia. Cuando la temperatura comienza a elevarse producto de la llegada del vapor el metal interno de la capsula se dilata rápidamente haciendo que la capsula se expanda y asiente en el obturador

cerrando la trampa. A temperatura de condensado y aire, la capsula se encontrará abierta. Simultáneamente la alta temperatura modifica el coeficiente de resistencia del resorte sobre la capsula, haciendo que este module otorgando mayor rapidez en la respuesta cuando la trampa se inunda de condensado o un cierre más rápido y hermético cuando vapor llega al elemento. La trampa cuenta con la alternativa de válvula de retención incorporada otorgando mayor versatilidad al conjunto de trampeo con menor espacio y a más bajo costo. 

APLICACIONES - Colectores de condensado. - Eliminación automática de aire. - Esterilizadores.- Cocedores. - Calentadores de agua. - Equipos de lavandería. - Radiadores y equipos de proceso.

 VENTEO TERMOSTÁTICO Trampa termostática en acero inoxidable. Modelo compacto recomendable para uso como venteo termostático para eliminación de gases incondensables. Incorpora capsula termostática y filtro. - Presión máxima de trabajo 22 bar - Temperatura máxima de trabajo 250°c

CARACTERÍSTICAS - Máxima eliminación de aire. - Cierre hermético a temperatura de vapor. - Cuerpo de acero inoxidable, compacto y resistente a golpes de ariete. - No se ve afectada por cambios de presión. APLICACIONES - Eliminación automática de aire. - Esterilizadores. - Cocedores. - Calentadores de Agua. - Equipos de lavandería. - Radiadores y equipos de proceso.

 TRAMPA BIMETÁLICA La trampa bimetálica de la serie bm, es un purgador de condensado conformado por capsulas termostáticas bimetálicas con discos de metal robusto de distinto coeficiente de dilatación térmica, capaces de trabajar en sistemas de vapor de alta presión. Cuando el elemento bimetálico se encuentra a temperatura de condensado, los discos se encuentran completamente planos permitiendo la evacuación del condensado. una temperatura de vapor provoca la dilatación y curvatura de los discos de metal compuesto, logrando un cierre hermético del elemento ante presencia de vapor.

CARACTERÍSTICAS - Máxima eliminación de aire. - Cierre hermético a temperatura de vapor. - Cuerpo robusto en acero carbono forjado, componentes internos en acero inoxidable. - Alternativas de conexión: soldar, roscada y bridas. - Recomendada para aplicaciones de vapor sobre calentado y saturado.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE CADA TIPO DE TRAMPA. Algunas ventajas y desventajas entre los diferentes tipos de trampas se presentan en la siguiente tabla. Tipo de trampas

Nota.- Si una trampa para vapor retiene el condensado hasta que se enfría un poco abajo de la temperatura de saturación permitiendo que la mayor cantidad de calor se ceda al proceso, se logrará un ahorro real en el consumo de vapor al tener la temperatura de condensado más baja posible. Sin embargo al retornar un condensado frío puede requerir de un precalentamiento antes de entrar al generador de vapor. Algunas veces las trampas para vapor pueden dejar pasar vapor o perder calor por radiación y convección, lo cual interesa desde el punto de vista de la cantidad de energía que puede ser perdida por diferentes tipos de trampas para vapor.

SISTEMA DE DRENAJE EN TUBERÍAS Métodos Existe diversidad de métodos para drenar el condensado en tuberías. Uno de los métodos más importantes es el método de drenado por gravedad, que por la misma posición de la tubería, el condensado tiende a ir a la parte mas baja del sistema para luego ser purgado o recuperado. Otro método que se considera efectivo para extraer condensado es el de separar el vapor del agua. Las partículas liquidas, que en emulsión, arrastra, en su velocidad, el vapor. A continuación se presentan 2 tipos de sistemas de drenaje en tuberías y su debida instalación. PIERNAS COLECTORAS (PATAS DE GOTEO) Una pierna colectora es un elemento que sirve principalmente para extraer condensado que se forma en el trayecto debido a la ausencia o mal dimensionamiento de aislamiento en las tuberías ya sean estas principales o secundarias, lo cual provoca que parte de su calor latente sea cedido al medio ambiente. Para un correcto dimensionamiento de una pierna colectora se debe tomar en cuenta el diámetro de la tubería principal. Las funciones principales de este tipo de drenado de condensado para la tubería son:  

Dejar que el condensado sea drenado por gravedad del vapor fluyente a alta velocidad. Colectar el condensado hasta que la presión diferencial sea suficiente para descargarlo a través de una trampa de vapor.

Instalación La instalación de las piernas colectoras y trampas deben estar ubicadas a niveles bajos o puntos de drenaje natural, además en la pierna colectora su punto de drenaje de condensado debe estar a un costado, dejando libre la parte inferior; donde su utilización es también un factor importante ya que servirá como colector de suciedades. Este colector o también denominado bolsillo de suciedad debe tener instalada una purga manual, utilizando una válvula. Una pierna colectora debe ser instalada:  Antes de elevaciones.  Al final de tuberías.  Antes de juntas de expansión o curvaturas.  Antes de válvulas o reguladores.

Se deben de instalar piernas colectoras y trampas aun cuando no se tengan puntos de drenaje natural. Las piernas colectoras deben instalarse normalmente a intervalos de 75 m, pero no más de 100 m.

SEPARADOR DE VAPOR Los separadores de vapor al igual que las piernas colectoras se constituyen también en elementos que existen para extraer condensado de la tubería. Básicamente los separadores de vapor están diseñados para extraer cualquier partícula de condensado que se forma y que es arrastrada hacia los centros de consumos a lo largo de los sistemas de distribución de vapor. Es importante que en una instalación donde se utiliza maquinaria sensible a la presencia de vapor húmedo,como es el caso de las turbinas de vapor, con la utilización de separadores de vapor se garantizara en gran medida que solo sea alimentado vapor seco, protegiendo así las paletas de la turbina de numerosos daños ocasionados por la erosión.

La eficiencia de un separador corresponde a una medida del peso de agua separada en proporción al peso total del agua acarreada en la tubería. Instalación Los separadores son usualmente instalados antes del equipo donde es particularmente necesario que se tenga vapor seco, también son típicos en tuberías de vapor secundario, debido a que por su misma naturaleza tiene un gran porcentaje de condensado que debe ser separado.

Separador de Vapor

Válvula de cierre

CONCLUSIONES 

En la actualidad existen 3 tipos de trampas de vapor las cuales pueden ser mecánicas, termodinámicas y termostáticas, el uso de las mismas dependerá la presión y temperatura de trabajo de la instalación en las que se deberán utilizar.

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Entre los métodos más efectivos de drenado de tuberías se puede mencionar el drenado con piernas colectoras y el drenado de separación de vapor, estos métodos son bastante utilizados en la industria ya que con estos el condensado recolectado de las instalaciones se puede reutilizar para lograr una mayor eficiencia en la utilización del vapor y asi tener un mayor ahorro monetario y energético.

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Para las instalaciones de tuberías las cuales conducen vapor es muy importante el uso de trampas de vapor ya que con estas se pueden evitar serios daños a las tuberías y mecanismos en el sistema, daños ocasionados principalmente por el golpe de ariete. Y trabando en conjunto con las trampas el uso adecuado de un buen sistema de drenaje es esencial ya que con este se puede evitar daños a las mismas trampas de vapor.

BIBLIOGRAFÍA 

Amstrong, S.A. de C.V., Presentacion realizada en AIVAC, Mexico, 2007.

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Tipos de trampas de vapor (en línea). Disponible en: http://www.quiminet.com/articulos/los-3-principales-tipos-de-trampas-devapor-2681645.htm

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Trampas de vapor (en línea). Disponible http://www.cnpml.org.sv/UCATEE/ee/docs/trampas_de_vapor_1_1.pdf

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