Equipos de purga del aire en sistemas de vapor industrial

La presencia de aire dentro del sistema de vapor es un problema importante. Si no se purga el aire puede causar problemas de producción para la operación y el rendimiento de un sistema de vapor. Por ejemplo, la conductividad térmica del aire es 0,000049, en comparación con 0,002 del agua, 0,20 del hierro y 0,96 del cobre. No eliminar el aire y los gases no condensables del sistema de vapor puede reducir la eficiencia de la transferencia de calor en un 21 % o más, según la concentración de aire en el sistema de vapor. Debido a que el aire es uno de los mejores aislantes, un objetivo importante de la operación de vapor es la eliminación del aire de un sistema de vapor.

El aire mezclado con vapor hace bajar la temperatura de la mezcla. Este hecho permite que un dispositivo termostático (basado en la presión equilibrada o el principio bimetálico) lo elimine de los sistemas de vapor. Un eliminador de aire montado en el espacio a vapor de un recipiente o al final de una tubería principal de vapor abrirá cuando haya aire. Para la máxima eliminación de aire del sistema de vapor industrial, la descarga deberá ser lo más libre posible. A menudo, se monta una tubería para que descargue a un lugar seguro, preferentemente no una línea de retorno de condensado que podría restringir la descarga libre de aire y también podría producir corrosión.

Cuando un eliminador de aire está montado en un by-pass de un purgador trabajará como un purgador después de haber eliminado el aire y de vez en cuando puede descargar condensado. En estos casos es necesario reconectar el eliminador de aire a la línea de condensado después del purgador.

Si la línea de descarga de condensado de un purgador se eleva a un nivel más alto, la línea anegada impone una contrapresión en el purgador y el eliminador de aire. La facilidad de descarga de aire del eliminador se reducirá, sobre todo en la puesta en marcha. Lo mismo ocurre cuando el eliminador de aire está incorporado dentro del purgador. Cuando la forma del espacio vapor de aplicación y la situación de la entrada del vapor significa que la mayor parte del aire saldrá a través de la salida de condensado, es preferible que las líneas de la descarga del purgador de vapor y del eliminador de aire no suban a un nivel alto.

Selección de la ubicación del purgador de aire para sistemas de vapor industrial 

Cuando un serpentín o recipiente tiene una sección transversal relativamente pequeña, el vapor que entre actuará como un pistón y empujará el aire a un punto remoto de la entrada del vapor.

Este ‘punto remoto’ normalmente es la mejor ubicación para el eliminador de aire. Parte del aire pasará a través de la salida del condensado, según el diseño del purgador, o por un bypass. El resto del aire se puede agrupar como se indica y formar un punto frío en la superficie de calentamiento. La unidad no se calentará uniformemente y puede causar una distorsión en equipos como las planchadoras.

Ya que la mezcla de aire/vapor es más densa que el vapor puro a la misma presión, normalmente basta con instalar un purgador con capacidad de eliminación de aire colocado en un nivel bajo.

Sin embargo, la manera de trabajar del purgador hace que el condensado forme un sello de agua en la entrada del purgador que puede impedir que el aire llegue al purgador. Un  purgador de aire automático conectado al espacio vapor en un nivel superior al del condensado, suele ser la mejor elección. A menudo es conveniente y lo suficientemente efectivo el conectarlo en la parte superior del espacio de vapor

Sin embargo, en el caso de dos espacios vapor del mismo tamaño y forma pero con la entrada de vapor en diferentes posiciones, la situación del eliminador de aire podría ser distinta. En algunos casos, el condensado es drenado del fondo de ambos espacios pero con la entrada de vapor por el fondo, en la puesta en marcha, el aire tenderá a ser empujado al punto más remoto que está en la parte superior. El eliminador de aire puede colocarse mejor en la parte superior aunque un purgador de boya-termostático eliminará el aire residual que se encuentra en el fondo del recipiente.

Cuando la entrada de vapor es por la parte superior, el aire tenderá a ser empujado al fondo y se debe eliminar por la parte inferior. Normalmente, se usará un purgador con una alta capacidad de eliminación de aire como un purgador de boya-termostático. Sin embargo, para asegurar que elimina completamente el aire durante las condiciones de trabajo, se puede colocar un eliminador de aire en la parte superior del recipiente que puede ser beneficioso, sobre todo en recipientes con forma irregular.

Equipos para la purga de aire del sistema de vapor

El eliminador de aire automático es una válvula que trabaja termostáticamente y se instala en un lugar donde le llega el vapor y aire pero no el condensado. Si el eliminador de aire está instalado próximo a un calentador con una masa sustancial, trabajando a una temperatura próxima a la de saturación del vapor, entonces el calor puede mantener el eliminador de aire cerrado o ralentizar su funcionamiento. Se recomienda, por consiguiente, que el equipo de purga de aire y su tubería de conexión estén sin aislamiento para que trabaje correctamente.

Aquí, será mejor instalar un sistema de purga de aire al final de una longitud de tubería de aproximadamente 300 mm que hace de acumulador de aire y permite que haya un gradiente de temperatura desde el espacio de vapor del calentador hasta el eliminador de aire. De la misma manera, los ‘separadores de aire’ mencionados en los ‘cilindros secadores’ pueden utilizarse como unidades recolectoras de aire.

Cuando los sistemas de purga de aire descargan, lo hacen con una mezcla aire/vapor. Es fácil pensar que sea vapor puro y la conclusión lógica sea creer que el eliminador de aire está fugando. Si trabaja normalmente, la cantidad de descarga deberá ir reduciéndose y finalmente cesar. Si el purgador de aire continúa descargando durante un periodo largo de tiempo sin dar señales de cerrar, podría estar defectuoso y convendría inspeccionarlo.

By-pass de purgadores de aire en sistemas de vapor

Parece normal colocar un bypass manual alrededor de un purgador, normalmente se abren en la puesta en marcha. Ya que durante la puesta en marcha la carga de condensado raramente es el doble que la carga de normal de trabajo y que los purgadores generalmente tienen capacidades del condensado con factores de seguridad considerablemente superiores a esto, parece ser que la función real de los bypasses es la de descargar aire. Esto permite al condensado alcanzar el purgador. A menudo se encuentra un bypass alrededor de los purgadores de cubeta invertida que son lentos eliminando el aire. El conjunto puede hacerse automático y eficaz simplemente reemplazando la válvula de bypass manual con un eliminador de aire automático. Los bypasses manuales tienden a olvidarse y dejarse abiertos, creando pérdidas de vapor potenciales.

Rompedores de vacío para la purga de aire del sistema de vapor

Pueden utilizarse rompedores de vacío en momentos de parada del sistema cuando pueden experimentar presiones sub-atmosféricas dentro de tuberías de vapor y equipos. Colocados estratégicamente, permitirán que el condensado baje por gravedad al punto de desagüe. Al permitir eliminar completamente el condensado del sistema, se evitará el temor de golpes de ariete en la siguiente puesta en marcha del sistema.

Purgar aire de las líneas principales de vapor saturado

La línea de vapor principal es un espacio de vapor largo con una sección transversal pequeña. Cuando se abre el vapor, sigue la tubería como un pistón, empujando el aire que hay delante de él. Un eliminador de aire instalado al final de la línea, eliminará la mayor parte del aire. El eliminador se instalará en la parte superior de la tubería o, por lo menos, en un punto sobre el nivel esperado de condensado.

Purgar aire de las líneas principales de vapor sobrecalentado

Generalmente, sólo requieren eliminación de aire en la puesta en marcha. Se necesita un tipo de eliminador de aire robusto y por tanto uno del tipo bimetálico sería la mejor elección.

Purgadores para calderetas de doble fondo

Seleccionar un eliminador de aire para estas aplicaciones puede ser difícil. El aire disuelto en el producto frío sale de la solución mientras se calienta la caldereta y las burbujas aparecen en el lado de la camisa del producto. Los puntos donde no burbujea revelan puntos fríos que indican donde el aire se está agrupando dentro de la camisa.

Con el purgador equivocado y sin eliminador de aire, es probable que el hervido ocurra en último lugar en el fondo de la camisa cerca de la salida del condensado, en la parte superior en el punto opuesto a la entrada de vapor. El purgador de vapor óptimo será uno de tipo boya con eliminador de aire, colocado debajo de la caldereta, permitiendo que el condensado y aire baje al desagüe o a un receptor y bomba. La mejor situación del eliminador de aire es el punto opuesto a la entrada de vapor en el punto más alto, donde suele existir una conexión para este propósito.

Una caldereta basculante requiere un purgador de boya con un dispositivo antibloqueo vapor para eliminar el condensado por un tubo sifón que pasa por la junta rotativa. Si en el diseño del modelo no se ha incluido un eliminador de aire, entonces un eliminador de aire en paralelo al purgador mejorará el rendimiento. Igualmente, el purgador debe ponerse en la parte inferior de la salida.

Purga de aire en aplicaciones donde se usen cilindros rotativos

Un caso de interés especial es el cilindro secador usado en muchas industrias de procesos. Se alimenta vapor a un cilindro horizontal a través de una junta rotativa en un extremo y el material que se está procesando está en contacto con la superficie exterior del cilindro. El condensado se descarga a través de un tubo sifón que pasa por la misma junta rotativa o una junta similar en el lado opuesto del cilindro.

Con cilindros de tamaño grande, el volumen de aire a descargar en la puesta en marcha es grande.

El aire que se acumula dentro del cilindro durante el funcionamiento normal produce puntos fríos en la superficie que origina un calentamiento defectuoso. Eliminar el aire automáticamente es primordial y debe lograrse necesariamente para obtener los resultados esperados.

El mejor purgador es el tipo de boya-termostático con un dispositivo antibloqueo vapor, pero, a menudo se necesita un eliminador de aire aparte debido a la gran cantidad de aire que se ha de eliminar. La experiencia nos demuestra que lo mejor es instalarlo en un separador de aire en la salida de condensado.

Eliminación de aire agrupada

Los diseñadores de equipos a vapor piensan a veces en reducir los gastos conectando los puntos remotos de dos o más espacios vapor y colocando un solo eliminador de aire, en lugar de usar eliminadores de aire individuales para cada espacio vapor. Es improbable que esta disposición tenga éxito. Una batería calefactora puede tener una línea de suministro común para todos los serpentines con una sola válvula de control. Aquí, el eliminador de aire puede cerrar cuando el vapor alcanza una sección. El aire, presente en las otras secciones, no alcanzaría el eliminador para abrirlo. Después, el vapor en el cuerpo del eliminador de aire condensa y se reemplaza de nuevo. De nuevo, cuando el vapor entrante proviene del serpentín contiene un mínimo de aire, el eliminador tiende a cerrar rápidamente. Las mezclas de aire/vapor de los otros serpentines no tienden a fluir hacia el lugar del eliminador. La eliminación de aire agrupado no tiene éxito y debe evitarse así como la purga agrupada de condensados.

Eliminación de aire en grandes caudales

La capacidad de un eliminador de aire depende del tamaño del orificio, de la presión diferencial en el asiento y las propiedades del gas que se elimina. En algunos casos, el espacio vapor es muy grande, como en los esterilizadores grandes y autoclaves en la industria alimentaria, autoclaves grandes de vulcanizado, etc. La cantidad de aire que se ha de eliminar puede ser tan grande que se necesite un gran número de eliminadores de aire en paralelo. Una solución alternativa es usar un control autoaccionado.

La válvula tiene un diseño adecuado para el uso con vapor. La válvula se posiciona por el sistema de control y el sensor de temperatura se monta aguas abajo de la válvula. La temperatura se ajusta a 100°C, o un poco por debajo de este valor. Ya que la presión en la tubería donde está el sensor de temperatura es atmosférica, la temperatura en este punto será de 100°C si después de fluir a través de la válvula al sensor le hubiese llegado vapor libre de aire. A esta temperatura, la válvula, sencillamente, cerrará. Si hubiese una temperatura más baja en la zona del sensor significará que hay un poco de aire y la válvula se abrirá ligeramente.

Colocando el sensor de temperatura de esta manera, aguas abajo de la válvula donde la presión de la línea es atmosférica, anula el efecto de la presión en la válvula aguas arriba de la válvula.

El sistema de control sólo tiene que cerrar la válvula cuando la temperatura del sensor alcanza 100°C y lo abre a temperaturas más bajas. Esta disposición hace que sea bastante práctico usar válvulas eliminadoras de aire tan grandes como DN50 que permiten descargar los grandes volúmenes de aire.

Eliminación de aire a través de purgadores de vapor termostáticos

Cualquier purgador de vapor termostático, de presión equilibrada de cápsula o fuelle, o el tipo bimetálico, pueden usarse como eliminadores de aire. Por supuesto, la unidad debe reaccionar rápidamente a los cambios de temperatura y los purgadores que incorporan tiras bimetálicas de grandes dimensiones son, probablemente, los menos convenientes. ¿Pero, si un purgador termostático se usa principalmente para desalojar condensado, con qué eficacia eliminará aire? Puesto que el purgador estará abierto en la puesta en marcha cuando se abre el vapor, deberá descargar el aire que es empujado hacia él.

Sin embargo, durante el funcionamiento normal, el purgador no puede ser realmente tan eficaz como un eliminador de aire. Como purgador de vapor, cerrará ante condensado con una temperatura un poco por debajo de la de saturación, y no soplará vapor. Por consiguiente, teniendo un sifón de agua en la entrada del purgador, los no-condensables se mantendrán dentro del espacio de vapor de proceso junto con el condensado durante un periodo corto.

Cuando, eventualmente, el condensado en el purgador pierde algo de su calor, entonces se abrirá el purgador y descargará el condensado y la mezcla de aire/vapor.

Probablemente, el purgador de vapor más eficaz para eliminar aire de un espacio de vapor es un purgador de boya con un eliminador de aire incorporado. Como el condensado alcanza siempre al purgador durante el funcionamiento normal, no se retrasará el paso de los no-condensables al eliminador de aire.

Hay que tener claro que el dispositivo automático que se usa para descargar la mezcla de aire/vapor, ya sea purgador de vapor o eliminador de aire, ha de colocarse sobre el nivel de agua del purgador. En los demás casos, añadir eliminadores de aire en las posiciones donde la mezcla de aire/vapor puede alcanzarlos bajo todas las condiciones puede proporcionar resultados beneficiosos sin comparación con el coste adicional que implica.