Eliminar el aire de los sistemas de vapor industrial para que no afecte el rendimiento

Si el aire está mezclado con vapor y fluye junto a él, se formarán bolsas de aire en las superficies de intercambio de calor donde se condensa el vapor. Gradualmente, se formará una capa fina que actuará como una capa aislante, impidiendo la transmisión de calor.

El aire es utilizado ampliamente como aislante debido a que es extremadamente mal conductor de calor (por ejemplo, todos conocemos su empleo para reducir la pérdida de calor en las ventanas de doble cristal, o sea dos cristales con aire confinado entre ellos). De igual manera, se usa aire para reducir la pérdida de calor de las tuberías de vapor. La mayoría de materiales aislantes se componen de millones de partículas microscópicas de aire, dentro de una matriz de fibra de vidrio, lana mineral, o material polímero. El aire es sencillamente el aislante y el material sólido lo mantiene en posición. De igual manera, una película de aire en la superficie de transmisión de calor impide el flujo de calor y reduce la capacidad de transmisión de calor. Es por ello que es importante eliminar el aire de los sistemas de vapor industrial.

Por qué la presencia de aire en los sistemas de vapor es un problema

La conductividad térmica del aire es de 0,025 W/m °C, mientras que la cifra correspondiente al agua es de 0,6 W/m °C, la del hierro de 75 W/m °C y la del cobre de 390 W/m °C. Una película de aire de tan solo 1 mm de grosor produce la misma resistencia que un espesor de cobre de 15 metros.

Es improbable que el aire exista como una película uniforme dentro del intercambiador de calor. Será más probable que la concentración de aire en el vapor sea más alta cerca de la superficie de condensación y menor cuanto más lejos. De todos modos, es conveniente tratarlo como una capa homogénea al mostrar su resistencia a la transmisión de calor.

Eliminar el aire de los sistemas de vapor industrial es uno de los dolores de cabeza de los gerentes de planta. Cuando existe aire en el vapor, la cantidad de calor a un volumen dado de la mezcla es inferior que la del mismo volumen de vapor puro, por tanto la temperatura de la mezcla baja. La Ley de Dalton de Presiones Parciales establece que en una mezcla de gases y/o vapores, la presión total de la mezcla de gases es igual a la suma de las presiones que cada gas ejercería si estuviera solo.

Por ejemplo, si la presión total de la mezcla de vapor/aire a 2 bar (absolutos) está compuesta de 3 partes vapor y 1 parte de aire:

Presión parcial del aire = 1⁄4 x 2 bar a = 0,5 bar a

Presión parcial del vapor = 3⁄4 x 2 bar a = 1,5 bar a

Presión total de la mezcla = 0,5 + 1,5 bar a = 2 bar a (1 bar r)[Salto de ajuste de texto]

El manómetro indicará una presión de 1 bar r, indicando al observador una temperatura correspondiente a 120°C. Pero, la presión parcial debida a la cantidad de vapor en la mezcla es tan sólo de 0,5 bar r (1,5 bar abs), proporcionando una temperatura de tan sólo 111,6°C. Por tanto, la presencia de aire tiene doble efecto:

1. Ofrece una resistencia a la transferencia de calor debido a su efecto de estratificación,
2. Reduce la temperatura del espacio vapor y por tanto reduce el gradiente de temperatura en la superficie de transferencia de calor.

Si no se purga el aire del sistema de vapor, el efecto en general es una reducción en la tasa de transferencia de calor que puede ser inferior a la requerida por el proceso y, en el peor de los casos, puede impedir que se alcance la temperatura que requiere el proceso.

En muchos procesos, se requiere una temperatura mínima para obtener un cambio químico o físico en el producto, en un esterilizador es esencial alcanzar una temperatura mínima. La presencia de aire nos desorienta en la lectura del manómetro y la temperatura no se podrá deducir por la presión.

Qué debes tener en cuenta al eliminar aire del sistema de vapor

En la puesta en marcha del sistema de vapor, el aire está presente dentro de las tuberías de vapor de suministro y en el propio equipo de vapor. Incluso cuando el sistema esté trabajando lleno de vapor puro, en la parada, el vapor al condensar creará vacío y absorberá aire en las tuberías.

El aire también puede entrar en el sistema disuelto en el agua de alimentación. A 80°C, el agua puede disolver aproximadamente un 0,6% de su volumen de aire. La solubilidad del oxígeno es aproximadamente dos veces la del nitrógeno, así que el ‘aire’ disuelto en agua contiene casi una parte de oxígeno por dos de nitrógeno en lugar de una parte por cuatro partes en el aire atmosférico. El dióxido de carbono tiene una solubilidad más alta, aproximadamente 30 veces mayor que el oxígeno.

El agua de alimentación de la caldera y el condensado expuesto a la atmósfera pueden absorber estos gases rápidamente. Cuando el agua se calienta en la caldera, los gases se desprenden con el vapor y se arrastran al sistema de distribución. A menos que el agua ‘tratada’ de la caldera se desmineralice y desgasifique totalmente, contendrá carbonato sódico soluble, del intercambio químico de los procesos de tratamiento de agua. El carbonato sódico puede disociarse en la caldera y de nuevo se desprende dióxido de carbono.

En calderas de alta presión, el agua de alimentación pasa a menudo a través de un desaireador antes de ser bombeada a la caldera. Los mejores desaireadores pueden reducir los niveles de oxígeno a 3 partes por millón (ppm) en agua. Este oxígeno residual se puede tratar con un tratamiento químico. Sin embargo, semejante cantidad de oxígeno estará acompañada por aproximadamente 6 partes por millón de nitrógeno que no será tratado químicamente. Si la caldera es de tamaño medio, produciendo 10 000 kg de vapor por hora y usando aproximadamente 10 000 litros de agua por hora, a su vez producirá 60 cm3 de nitrógeno. Este se irá acumulando y con el tiempo afectará significativamente en la transferencia de calor si no se elimina del sistema. Incluso los mejores tratamientos físicos y químicos permitirán que algunos gases incondensables sin tratar sean arrastrados con el vapor desde la caldera. El aire está más extendido en sistemas de vapor de lo que se pueda creer y puede tener un efecto importante en el rendimiento y corrosión del equipo.

Signos de que hay aire

El aire y los gases no condensables son problemas importantes en un sistema de vapor. Ambos pueden causar problemas de producción para la operación y el rendimiento de un sistema de vapor.  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.

Al problema se suma el hecho de que los sistemas de vapor normalmente no están diseñados para eliminar el aire en el arranque o durante la operación. Durante el apagado de un sistema de vapor o sus componentes, el sistema se despresuriza y el vapor se condensa y reduce su volumen hasta 1600 veces. Esta reducción de volumen produce un vacío en el sistema de vapor o en los componentes de vapor. El aire ingresa al sistema de vapor a través de los componentes de vapor, como las ventilaciones de aire, el empaque de la válvula y las bridas, y el aire ingresado llena el vacío. Al energizar un sistema de vapor o componentes de transferencia de calor de vapor, uno de los primeros objetivos debe ser ventilar el aire del sistema de vapor o los componentes.

Las señales clásicas de que ha llegado el momento de eliminar el aire de los sistemas de vapor industrial  son:

• Una bajada gradual en el rendimiento de los equipos calentados por vapor.
• Burbujas de aire en el condensado.
• Corrosión.

La eliminación de aire de los sistemas de vapor es imprescindible 

El aire reduce la eficiencia de transferencia de calor

La liberación de energía latente (cambio de estado) para condensar en los componentes del vapor tiene lugar en la superficie de transferencia de calor, que es donde se está transfiriendo el calor debido a la diferencia de temperatura (vapor al proceso). La transferencia del componente de vapor consume la energía latente y el vapor se condensa a líquido (condensado); el condensado se drena por gravedad, pero los gases no condensables y el aire permanecen.

Los gases no condensables forman una película estancada en las paredes de la superficie de transferencia de calor, lo que crea una resistencia. La energía térmica que se transmite a través de la superficie de transferencia de calor tiene que pasar por conducción a través de estas películas de resistencia. Una película de aire o de gases no condensables de sólo una milésima de pulgada de espesor tiene la resistencia de una pared de hierro de tres pulgadas.

La energía de calor latente del vapor debe pasar del área de transferencia de calor del vapor al área donde se calienta el material del proceso. Para hacerlo, debe atravesar varios obstáculos:

• Una película estancada de aire/vapor en el lado de vapor
• película de condensado
• Acumulación de óxido o material corrosivo
• Pared de metal de transferencia de calor
• Lado del producto: producto quemado o escala
• Película estancada de material en el lado del proceso de la pared

El aire reduce la temperatura del vapor

La ley de presiones parciales de Dalton establece que en una mezcla de gases o vapores, la presión total de la mezcla está formada por las presiones parciales ejercidas por cada gas o vapor. La presión parcial ejercida por cada uno es la fracción de la presión total igual a la fracción del volumen total de cada uno.

La lectura de presión está en unidades absolutas. Por ejemplo, la presión total de una mezcla de 25 % de aire y gases no condensables y 75 % de vapor es de 114,7 psia (337,87 °F).

La presión parcial del vapor es 114,7 x 0,75 o 86,02 psia (317 °F). La presión parcial del aire es 114,7 x 0,25 o 28,56 psia. La temperatura del vapor saturado a 114,7 psia es de 317 °F frente a 337,87 °F para una línea de vapor o un componente de vapor con una mezcla que consta de 25 % de aire y gases no condensables y 75 % de vapor.

Hay otros problemas del sistema de vapor con la concentración de aire y gases no condensables. La acumulación o volumen de aire y gases no condensables en el área de transferencia de calor no es constante. El grosor de una película de aire estancada puede variar debido a las velocidades, los deflectores, la dirección del flujo, el acabado del metal y otros diseños internos de transferencia de calor. Este factor también puede generar problemas con el calentamiento desigual de los productos.

Las plantas aumentan las presiones de vapor para superar los problemas con el aire y los gases no condensables. A su vez, el mayor costo de producir presiones de vapor más altas aumenta el costo de energía de la planta.

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