Calentamiento con vapor
Tengo problemas para intentar calcular tiempos de calentamiento en un estanque
Para calentar se usa el vapor de una caldera que trabaja a 60 PSI, y tiene una producción máxima de 1200 kg/h de vapor.
El problema, es que no se como calcular el flujo de vapor que llegara a los serpentines en los estanques...¿llegan los 1200kg/h? ¿A qué presión, a que temperatura?
son muchas dudas, =S toy algo complicado
Para calentar se usa el vapor de una caldera que trabaja a 60 PSI, y tiene una producción máxima de 1200 kg/h de vapor.
El problema, es que no se como calcular el flujo de vapor que llegara a los serpentines en los estanques...¿llegan los 1200kg/h? ¿A qué presión, a que temperatura?
son muchas dudas, =S toy algo complicado
1 respuesta
Respuesta de aivark
1
No hay muchos datos, especialmente en el lado "consumidor", que tú denominas como estanques.
La pérdida de carga del circuito y la que genere la válvula de regulación de la caldera es la que dará el caudal y si se llega o no a 1200 kg/h. Si la caldera tiene esa capacidad podríamos suponer que sí da los 1200 kg/h si lo demanda el consumidor.
Respecto a la presión y temperatura, podríamos suponer que nos movemos en el rango de operación de vapor saturado. Si la caldera trabaja a 60 psi y si no hay laminación (es decir, si no hay otra válvula de regulación aguas abajo del punto donde se puede ver la presión de 60 psi... podemos considerar que la temperatura sería de 140ºC.
Por supuesto habrá una pérdida de carga consecuencia de la instalación, que sin más datos, supondría pequeña... por tanto, en el lado conservador apuntaría a algo más de 130ºC.
También hay que asegurar que el aislamiento es el correcto, para que el vapor llegue al serpentín del estanque como saturado (titulo de vapor 1), y no se haya convertido en condensado al 100% (titulo de vapor 0) ya que en ese caso la transferencia de calor al consumidor sería muy pequeña a pesar de que la temperatura sea prácticamente la misma.
Ten presente que el aporte energético más importante acontece en el cambio de estado desde vapor prácticamente al 100% ha condensado.
Si puedes aportar más datos sobre el consumidor y el circuito se podría intentar ajustar más la respuesta.
La pérdida de carga del circuito y la que genere la válvula de regulación de la caldera es la que dará el caudal y si se llega o no a 1200 kg/h. Si la caldera tiene esa capacidad podríamos suponer que sí da los 1200 kg/h si lo demanda el consumidor.
Respecto a la presión y temperatura, podríamos suponer que nos movemos en el rango de operación de vapor saturado. Si la caldera trabaja a 60 psi y si no hay laminación (es decir, si no hay otra válvula de regulación aguas abajo del punto donde se puede ver la presión de 60 psi... podemos considerar que la temperatura sería de 140ºC.
Por supuesto habrá una pérdida de carga consecuencia de la instalación, que sin más datos, supondría pequeña... por tanto, en el lado conservador apuntaría a algo más de 130ºC.
También hay que asegurar que el aislamiento es el correcto, para que el vapor llegue al serpentín del estanque como saturado (titulo de vapor 1), y no se haya convertido en condensado al 100% (titulo de vapor 0) ya que en ese caso la transferencia de calor al consumidor sería muy pequeña a pesar de que la temperatura sea prácticamente la misma.
Ten presente que el aporte energético más importante acontece en el cambio de estado desde vapor prácticamente al 100% ha condensado.
Si puedes aportar más datos sobre el consumidor y el circuito se podría intentar ajustar más la respuesta.
Gracias por tu respuesta
Son varios productos los que se requiere calentar y son varios estanques, te daré las especificaciones del serpentín de uno de ellos
Diámetro tubo 1,5", en forma de espiral, por lo que calcule el perímetro app total, de las "9 vueltas" que dio 128[m]
Por lo tanto eso me daría un Área de transferencia de 15,32[m]
El coeficiente "U" me tiene complicado también, no se como estimarlo, de la literatura, lo he estimado en app 15[Kj/hr*m2*°C] ; para calentamiento con vapor a presión "media" y con el fluido como aceite pesado.
Los productos son aditivos, y por lo que me dice la gente, son como aceites pesados.
Para uno de ellos, "LAS", cuento con su calor especifico 1,6[Kj/Kg*°C]
Generalmente se calientan cantidades 200-400[m3] y según los registros que he visto, y por lo que me cuenta la gente de la empresa, siempre se demoran más de 5 horas
De registros recogí que por ejemplo para 143 m3 de este producto, demoraron 8 horas en calentar desde los 27°C a 35°C
y bueno, eso es con lo que cuento hasta ahora, toy complicado con el balance de energía, no se si verlo por el lado
M*Cp*dT/dt = U*A*DeltaT° o verlo por el lado del flujo de vapor y su calor latente
De antemano muchas gracias, Aivark
Son varios productos los que se requiere calentar y son varios estanques, te daré las especificaciones del serpentín de uno de ellos
Diámetro tubo 1,5", en forma de espiral, por lo que calcule el perímetro app total, de las "9 vueltas" que dio 128[m]
Por lo tanto eso me daría un Área de transferencia de 15,32[m]
El coeficiente "U" me tiene complicado también, no se como estimarlo, de la literatura, lo he estimado en app 15[Kj/hr*m2*°C] ; para calentamiento con vapor a presión "media" y con el fluido como aceite pesado.
Los productos son aditivos, y por lo que me dice la gente, son como aceites pesados.
Para uno de ellos, "LAS", cuento con su calor especifico 1,6[Kj/Kg*°C]
Generalmente se calientan cantidades 200-400[m3] y según los registros que he visto, y por lo que me cuenta la gente de la empresa, siempre se demoran más de 5 horas
De registros recogí que por ejemplo para 143 m3 de este producto, demoraron 8 horas en calentar desde los 27°C a 35°C
y bueno, eso es con lo que cuento hasta ahora, toy complicado con el balance de energía, no se si verlo por el lado
M*Cp*dT/dt = U*A*DeltaT° o verlo por el lado del flujo de vapor y su calor latente
De antemano muchas gracias, Aivark
Veo que tenéis una instalación real, y algunos datos para concretar ciertos cálculos. Trato de responder a continuación a tus preguntas, partiendo de los datos del ejemplo concreto.
En primer lugar habría que determinar la potencia requerida de calentamiento, que en el caso específico sería (suponiendo densidad relativa =1 al ser líquido pesado y por simplificar):
Q= 143000*1.6*8ºC /(8 h*3600 s/h)= 63 kW
A esto habría que añadirle pérdidas al exterior que pudiera tener el estanque, y que dependerán de la configuración, aislamiento y condiciones exteriores.
Respecto al serpentín, he estado mirando aluna literatura y el valor que indicas no coincide con otras fuentes. Adjunto como referencia link a una página muy interesante de Spirax Sarco con datos sobre serpentines, que es un suministrador importante de equipos y accesorios relacionados con el sector del vapor. Tal vez los conozcas.
http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/steam-engineering-principles-and-heat-transfer/heating-with-coils-and-jackets.asp
También puedes consultar la página web de otro importante vendedor, llamado Amstrong
www.armstronginternational.com
Volviendo al tema, el valor de U para un serpentín debería estar en el entorno de 100 W/m2 ºC (o incluso por encima). Si diéramos por bueno este dato.
Por otra parte, la media logarítmica de temperaturas sería LMTD = 109ºC
Y de aquí obtendríamos el A teórica necesaria para la transferencia de los 63 kW, y que sería de 5.8 m2. Este valor está por debajo del A equivalente del serpentín instalado.
Finalmente, para el gasto de vapor, partiríamos de la hipótesis de que todo condensa en el serpentín, y que la trampa de vapor puede evacuar correctamente el condesado, evitando subenfriamiento.
La entalpía de vaporización a 5 bar (a) (60 psi + 14.7 psi) es de 2108 kJ/kg. Por tanto el gasto sería 63 kW/ 2108 kJ/kg = 108 kg/h de vapor... muy por debajo de la capacidad máxima de la caldera.
Hasta aquí todo el planteamiento es teórico. Desconozco el objetivo último de la pregunta, pero me imagino que el objetivo sea determinar si es posible calentar más rápidamente los fluidos, y para este punto habría que conocer al detalle la instalación, pues en muchas ocasiones se producen errores de instalación que penalizan la eficiencia energética.
Por citar algunos ejemplos:
- Verificar aislamiento de estanques como fuente de posibles pérdidas.
- Evaluar la posibilidad de agitar el fluido para mejorar la transferencia térmica.
- Chequear en la instalación de tuberías posibles bolsas (pockets) que puedan quedar rellenas de condensado y que limiten el paso de vapor hacia los consumidores.
- Asegurar que en los puntos bajos existan trampas de vapor.
- Verificar la capacidad de la trampa de condensado, a la salida del consumidor (en este caso del estanque). Para el cálculo de la trampa se debe usar un factor de seguridad de 2 a 4 veces el gasto estimado de vapor.
- Verificar el aislamiento en la línea de distribución de vapor, para tratar de asegurar que llega vapor saturado con un titulo próximo a 1.
- Verificar el estado de posibles tuberías de by-pass, que puedan reducir el caudal real a través del serpentín.
- Chequear el estado del serpentín para asegurar que no está obstruido por depósitos o recubierto por problemas de corrosión o depósitos en su exterior.
Una última nota. En mi primera contestación apunté una temperatura de aprox. 140ºC correspondientes a 4 bar absolutos... Supongo que cuando te refieres a 60 psi apuntas al valor manométrico... es decir que en realidad hablamos de 5 bar a y 151ºC en condiciones de saturación.
En primer lugar habría que determinar la potencia requerida de calentamiento, que en el caso específico sería (suponiendo densidad relativa =1 al ser líquido pesado y por simplificar):
Q= 143000*1.6*8ºC /(8 h*3600 s/h)= 63 kW
A esto habría que añadirle pérdidas al exterior que pudiera tener el estanque, y que dependerán de la configuración, aislamiento y condiciones exteriores.
Respecto al serpentín, he estado mirando aluna literatura y el valor que indicas no coincide con otras fuentes. Adjunto como referencia link a una página muy interesante de Spirax Sarco con datos sobre serpentines, que es un suministrador importante de equipos y accesorios relacionados con el sector del vapor. Tal vez los conozcas.
http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/steam-engineering-principles-and-heat-transfer/heating-with-coils-and-jackets.asp
También puedes consultar la página web de otro importante vendedor, llamado Amstrong
www.armstronginternational.com
Volviendo al tema, el valor de U para un serpentín debería estar en el entorno de 100 W/m2 ºC (o incluso por encima). Si diéramos por bueno este dato.
Por otra parte, la media logarítmica de temperaturas sería LMTD = 109ºC
Y de aquí obtendríamos el A teórica necesaria para la transferencia de los 63 kW, y que sería de 5.8 m2. Este valor está por debajo del A equivalente del serpentín instalado.
Finalmente, para el gasto de vapor, partiríamos de la hipótesis de que todo condensa en el serpentín, y que la trampa de vapor puede evacuar correctamente el condesado, evitando subenfriamiento.
La entalpía de vaporización a 5 bar (a) (60 psi + 14.7 psi) es de 2108 kJ/kg. Por tanto el gasto sería 63 kW/ 2108 kJ/kg = 108 kg/h de vapor... muy por debajo de la capacidad máxima de la caldera.
Hasta aquí todo el planteamiento es teórico. Desconozco el objetivo último de la pregunta, pero me imagino que el objetivo sea determinar si es posible calentar más rápidamente los fluidos, y para este punto habría que conocer al detalle la instalación, pues en muchas ocasiones se producen errores de instalación que penalizan la eficiencia energética.
Por citar algunos ejemplos:
- Verificar aislamiento de estanques como fuente de posibles pérdidas.
- Evaluar la posibilidad de agitar el fluido para mejorar la transferencia térmica.
- Chequear en la instalación de tuberías posibles bolsas (pockets) que puedan quedar rellenas de condensado y que limiten el paso de vapor hacia los consumidores.
- Asegurar que en los puntos bajos existan trampas de vapor.
- Verificar la capacidad de la trampa de condensado, a la salida del consumidor (en este caso del estanque). Para el cálculo de la trampa se debe usar un factor de seguridad de 2 a 4 veces el gasto estimado de vapor.
- Verificar el aislamiento en la línea de distribución de vapor, para tratar de asegurar que llega vapor saturado con un titulo próximo a 1.
- Verificar el estado de posibles tuberías de by-pass, que puedan reducir el caudal real a través del serpentín.
- Chequear el estado del serpentín para asegurar que no está obstruido por depósitos o recubierto por problemas de corrosión o depósitos en su exterior.
Una última nota. En mi primera contestación apunté una temperatura de aprox. 140ºC correspondientes a 4 bar absolutos... Supongo que cuando te refieres a 60 psi apuntas al valor manométrico... es decir que en realidad hablamos de 5 bar a y 151ºC en condiciones de saturación.
