21 septiembre 2011

Aprendiendo a diseñar tuberías de forma eficiente (4ª PARTE)

 Ver 3ª PARTE

E)    TUBERÍAS DE VAPOR DE ALTA PRESIÓN

Muchos sistemas de vapor en grandes edificios industriales usan una alta presión de vapor (100 a 1000 kPa). Estos sistemas usualmente tienen calentadores de unidad o grandes ventiladores con serpentines de calentamiento por ráfagas.. Las altas temperaturas están controladas por una válvula termostática de estrangulación o por una trampilla en bypass controlada por la temperatura del aire de la habitación, entrada del ventilador o salida del ventilador.

F)    SISTEMAS DE CONDENSADO DE VAPOR

La mayoría de los sistemas de vapor en aplicaciones de calentamiento son sistemas de dos tuberías, en las cuales dos tuberías son tuberías de vapor y una de condensado. Discutimos a continuación la forma de dimensionar las líneas de condensado en sistemas de dos tuberías.
Sistemas de dos tuberías
Cuando se usa vapor para calentar líquido a 102 ºC o menos (ej. en los intercambiadores de calor de agua domésticos, convertidores de calor de agua domésticos, o serpentines de calentamiento de aire), los dispositivos usualmente se proporcionan con válvulas de control de vapor. Cuando la válvula de control estrangula, la presión absoluta en el dispositivo de carga decrece, eliminando toda la motivación de presión para el caudal en el sistema de retorno de condensado. Para asegurar el caudal del condensado de vapor desde el dispositivo de carga a través de la trampa en el sistema de retorno, es necesario proporcionar un interruptor de vacó en el dispositivo al lado de la trampa. Esto asegura una presión mínima en la entrada de la trampa de la presión atmosférica. Para asegurar el caudal en la trampa, es necesario diseñar un sistema de condensado de forma que nunca tengamos una presión por encima de la atmosférica en la línea de retorno de condensado.
Sistemas de retorno (abierto) venteados. Para alcanzar estos requerimientos de presión, la línea de retorno del condensado usualmente se ventea a la atmósfera (1) cerca del punto de entrada del chorro de fluido desde las trampas de carga, (2) en proximidad a todas las conexiones desde las drip traps, y (3) a las bombas de transferencia o receptores de agua de alimentación.
Con este diseño, la única motivación para que el caudal en el sistema de retorno es la gravedad. Las líneas de retorno que están por debajo del nivel del líquido en el receptor aguas abajo o calderas y se rellenan con líquidos que se llaman retornos húmedos. Los que están por encima del nivel del líquido tienen tanto gas como líquido en las tuberías y se denominan retorno seco.
Las líneas de retorno seco en un sistema de retorno venteado tienen líquido fluyendo en el fondo de la línea y gas o vapor en la parte superior. El líquido es el condensado, y el gas puede ser vapor, aire, o una mezcla de los dos. El fenómeno del caudal para estos sistemas de retorno secos es el caudal en canal abierto que se describe por la ecuación de Manning:
Donde:

Q = Caudal volumétrico, m3/s
A = Área transversal del conducto, m2
r = Radio hidráulico del conducto, m
n = coeficiente de rugosidad (usualmente 0,012)
S =Pendiente del conducto
Sistemas de retorno (cerrado) no venteadas. Para los sistemas en los que hay una diferencia de presión continua entre el punto donde el condensado entra en la línea y el punto donde la deja, cuando sea aplicable, puede ser usado para dimensionar las líneas de condensado. Los valores para dimensionar las líneas están tabulados (ASHRAE).
Cuando entra el condensado saturado a presiones por encima de la presión del sistema, parte del líquido se vaporiza a vapor. Esto ocurre típicamente en drip traps en un sistema de retorno venteado o en trampas de carga dejando que los dispositivos de carga del proceso que no están controlados por válvula y típicamente no tienen sub-enfriamiento. Si el retorno principal se venta, las líneas de venteo liberarán cualquier presión excesiva y previenen un fenómeno de contra-presión que puede restringir el caudal a través de la trampas desde cargas con válvulas.
Sistemas de una tubería
Los sistemas venteados de aire de una tubería por gravedad en el que el vapor y el condensado fluyen en la misma tubería, frecuentemente en direcciones opuestas, se consideran obsoletas y no se están instalando.

G)     TUBERÍAS DE GAS

Las tuberías en los aparatos de gas deben tener el tamaño adecuado y ser instaladas de forma que proporcionen un suministro de gas suficiente para cumplir la máxima demanda sin pérdidas indebidas de presión entre el punto de suministro (contador) y los aparatos. El tamaño de la tubería de gas requerido depende de (1) máximo consumo de gas proporcionado, (2) longitud de tubería y número de accesorios, (3) pérdida de presión permitida desde la salida del contador al aparato, y (4) densidad del gas.
Un insuficiente caudal de gas con pérdidas de presión excesivas en la línea de suministro de gas puede causar una operación ineficiente en los aparatos de gas y a veces crear operaciones peligrosas. Los aparatos de gas normalmente están equipados con placas de datos que dan información sobre los máximos requerimientos de caudal o entradas así como los requerimientos de presión del gas de entrada.
Las capacidades para presiones inferiores a 10 kPa pueden ser determinadas por la siguiente ecuación de NFPA/IAS National Fuel Gas Code:
Donde:
Q = Caudal a 15 ºC y 101 kPa, L/s
d = Diámetro interior de tuberías, mm
∆p = Caída de presión, Pa
C = Factor de viscosidad, densidad y temperatura
t = Temperatura, ºC
s = ratio de densidad del gas respecto a la densidad del aire a 15 ºC y 101 kPa
µ = viscosidad del gas, µPa s (12 para el gas natural, 8 para el propano)
L = Longitud de la tubería, m
El servicio de gas en los edificios se reparte generalmente en el rango de “baja presión” de 1,7 kPa. La caída de presión máxima en los sistemas de tuberías a esta presión es generalmente 125 Pa pero está sujeta a regulaciones locales.
Donde se requieren grandes cantidades de gas o donde se usan longitudes largas de tuberías, tienen lugar limitaciones de baja presión en los tamaños de tuberías largas. Los códigos locales permiten que las compañías de gas repartan a presiones más altas (ej. 15, 35, o 70 kPa). Bajo estas condiciones, se permite una caída de presión del 10 %, y pueden reducirse significativamente los tamaños de las tuberías. Los reguladores de presión del gas en los aparatos son especificados para acomodar presiones de entrada más altas (ver NFPA/IAS National Fuel Gas Code).

H)    TUBERÍAS PARA TRANSPORTAR HIDROCARBUROS

Las tuberías usadas para transportar combustibles a diferentes aparatos deben ser lo bastante grandes como para mantener una presión de succión baja y, en el caso de sistemas de bucle, se previene sobrepresión en la admisión de la bomba del quemador. Los materiales de tuberías deben ser compatibles con el combustible y deben ensamblarse cuidadosamente para eliminar todas las pérdidas. Las pérdidas en las líneas de succión causan problemas de bombeo que originan problemas de bombeo que dan como resultado operaciones no fiables del quemador. También se genera un riesgo de incendio debido a las pérdidas. Los accesorios y tuberías de fundición o aluminio no son aceptables. Los compuestos de unión en las tuberías deben seleccionarse cuidadosamente.
Las líneas de succión de las bombas deben dimensionarse de acuerdo con las condiciones de caudal máximas previstas. El vacío no excederá 34 kPa para los combustibles de grado de destilado y 50 kPa para los combustibles residuales.
En los ensamblajes de tuberías largas, deben tomarse precauciones para evitar bolsas de aire. En los bucles de circulación aéreos, la línea venteará el aire en todos los puntos altos. Los bucles para suministro de combustible para uno o más quemadores deben ser del tipo circulante, con el exceso de combustible retornado al tanque de combustible. Pueden usarse bucles presurizados con extremos muertos, pero el aire o vapor venteado es más problemático.
Donde se usan válvulas, se seleccionarán de bolas o válvulas de compuerta. No se recomiendan válvulas de globo debido a sus características de caídas de presión altas.
Las tuberías con combustibles deben probarse después de la instalación, particularmente si quedan enterradas o inaccesibles. Si no se realizan estos ensayos habrá problemas de operación. Una línea de succión puede probarse hidrostáticamente a 1,5 veces su presión de operación o a un vacío no menor de 70 kPa. Los ensayos de presión o vacío continuarán al menos durante 60 minutos.
Bibliografía
·         ASHRAE. Fundamentals 2009
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