¿Cómo funciona una bomba condensadora?
Cuando se bombea vapor de agua en una planta industrial grande, siempre interviene una cierta cantidad de aire, bien contenido en el vapor, bien originado en las fugas de la planta (las siguientes consideraciones para el aire y el vapor de agua obviamente se aplican también en general para vapores distintos del vapor de agua). Por lo tanto, el condensador debe estar respaldado por una bomba de gas ballast (véase la Fig. 2.41) y por lo tanto siempre funciona (como ocurre con la bomba de lóbulos) de forma combinada con otros equipos. La bomba de gas ballast tiene la función de bombear la fracción de aire, que a menudo no es sino una pequeña parte de la mezcla de vapor de agua en cuestión, sin bombear simultáneamente mucho vapor de agua. Por consiguiente, es comprensible que, dentro de la combinación de condensador y bomba de gas ballast en parada, las relaciones de caudal (que tienen lugar en la región del vacío primario) no puedan evaluarse fácilmente sin recurrir a otras consideraciones adicionales. La simple aplicación de la ecuación de continuidad no basta, porque ya no se trata de una fuente o un campo de circulación sin purgador (conforme a los procesos de condensación, el condensador es un sumidero). En este momento, esta cuestión adquiere una importancia capital. En un caso práctico de "ausencia de funcionamiento" de la combinación de condensador-gas ballast, culpar al condensador de este fallo podría no estar justificado.
Fig. 2.41: Condensador (I) con bomba de gas ballast aguas abajo (II) para bombear grandes cantidades de vapor de agua en el rango de vacío bajo (III): estrangulador ajustable.
- Entrada del condensador
- Descarga del condensador
- Véase el texto
Aplicaciones de una bomba condensadora
Para bombear grandes cantidades de vapor de agua, la condensadora es la bomba más económica. Por regla general, el condensador se enfría con agua a una temperatura tal que la temperatura del condensador se encuentra lo suficientemente por debajo del punto de rocío del vapor de agua, con lo que se garantiza un trabajo de condensación o bombeo económico. Para la refrigeración, no obstante, también es posible usar medios como salmuera y refrigerantes (NH3, freón).
Combinación con un gas ballast
A la hora de elegir el tamaño de una combinación de bomba condensadora y gas ballast, debe tenerse lo siguiente en consideración:
a) la fracción de gases permanentes (aire) bombeados simultáneamente con el vapor de agua no debe ser demasiado grande. A presiones parciales de aire que superen el 5 % de la presión total en la salida del condensador, se produce una acentuada acumulación de aire delante de las superficies del condensador. Entonces, el condensador no puede alcanzar su capacidad total (véase también la información de la página sobre bombeo de gases [proceso húmedo] para el bombeo simultáneo de gases y vapores).
b) si no se bombea la correspondiente cantidad de gas permanente (y según se indica de forma más detallada en la página de bombeo de gases (proceso en húmedo)), la presión de vapor de agua en la salida del condensador (esto es, en la admisión de la bomba de gas ballast) no debería superar la tolerancia al vapor de agua de la bomba de gas ballast pertinente. Si, y como no puede evitarse en la práctica, cabe esperar una presión parcial de vapor de agua superior a la salida del condensador, resulta conveniente colocar un estrangulador entre la salida del condensador y el puerto de admisión de la bomba de gas ballast. La conductancia de este estrangulador debe ser variable y estar regulada (véase la página sobre Cálculo de la conductancia), por lo que, a máxima estrangulación, la presión presente en el puerto de admisión de la bomba de gas ballast no puede superar el valor de tolerancia al vapor de agua. Asimismo, usar otros refrigerantes o reducir la temperatura del agua refrigerante a menudo permiten que el vapor de agua caiga por debajo del valor necesario.
Para llevar a cabo una evaluación matemática de la combinación de condensador y bomba de gas ballast, puede presuponerse que no se produce pérdida de presión en el condensador y que la presión total en la entrada del condensador p tot 1 es igual a la presión total de la salida del condensador p tot 2 (2.23)
(2.23)
Ptot1 = ptot2
La presión total consiste en la suma de las partes de presión parcial del aire pp y del vapor de agua pv: (2.23a)
(2.23a)
pp1 + pv1 = pp2 + pv2
Como consecuencia de la acción del condensador, la presión de vapor de agua pD2 en la salida del condensador es siempre inferior a la de la admisión; para que se cumpla (2.23), la presión parcial del aire pP2 en la salida debe ser superior a la presión en la admisión pP1 (véase la Fig. 2.43), aun cuando no haya acelerador presente.
Fig. 2.43: Representación esquemática de la distribución de presión en el condensador. Las líneas continuas corresponden a las condiciones de un condensador en el que se produce una pequeña caída de presión (ptot 2 < ptot 1).
Las líneas discontinuas son las de un condensador ideal (ptot 2≈ ptot 1). pD: presión parcial del vapor de agua, pL: presión parcial del aire.
- Entrada del condensador
- Salida del condensador
La mayor presión parcial de aire pP2 en la salida del condensador se produce por una acumulación de aire que, siempre que esté presente en la salida, produce un equilibrio estático del caudal. De esta acumulación de aire, la bomba de gas ballast (que acabará por estrangularse) en estado de equilibrio elimina la cantidad justa que circula desde la entrada (1) por medio del condensador.
Cálculo del tamaño de las unidades de condensador y gas ballast
Todos los cálculos se basan en lo indicado en (2.23a) para los cuales, no obstante, debería disponerse de información sobre la cantidad de vapores y gases permanentes bombeados, la composición y la presión. Es posible calcular el tamaño de la bomba condensadora y gas ballast, cuyas dos cantidades, de hecho, no son independientes la una de la otra. En la Fig. 2.42 se representa el resultado de dicho cálculo como ejemplo de un condensador con una superficie de condensación de 1 m2, y a una presión de admisión pv1 de 40 mbar, una capacidad de condensación que alcanza los 15 kg (33 lb)/h de vapor de agua pura si la fracción de los gases permanentes es muy pequeña. Se consume 1 m 3 de agua de refrigeración por hora, a una sobrepresión de la línea de 3 bar y a una temperatura de 12 °C (53,6 °F). La velocidad de bombeo necesaria de la bomba de gas ballast depende de las condiciones de funcionamiento pertinentes, en particular del tamaño del condensador. En función de la eficiencia del condensador, la presión parcial de vapor de agua pv2 se sitúa más o menos por encima de la presión de saturación pS que corresponde a la temperatura del refrigerante (de enfriarse con agua a 12 °C [53,6 °F]), pS, sería de 15 mbar [véase la Tabla XIII del Apartado 9]). En consecuencia, la presión de aire parcial pp2 a la salida del condensador también varía. Con un condensador de gran tamaño, pv2≈ pS, la presión parcial de aire pp,2 es en consecuencia elevada, y dado que pp · V = const., el volumen de aire es reducido. Por lo tanto, tan solo se necesita una bomba de gas ballast de envergadura relativamente reducida. Sin embargo, si el condensador es pequeño, se da el caso contrario: pv2 > pS · pp2; se trata de un valor reducido. Para ello, se necesita de una bomba de gas ballast relativamente grande. Puesto que la cantidad de aire que participa de un proceso de bombeo para el que se emplean condensadores no es necesariamente constante, sino que alterna constreñida entre límites más o menos amplios, las consideraciones al respecto resultan más complejas. Por tanto, es necesario que la velocidad de bombeo de la bomba de gas ballast que se produce realmente en el condensador pueda regularse conforme a ciertas constricciones.
Fig. 2.42: Capacidad de condensación del condensador (superficie disponible para condensación: 1 m2) en función de la presión de entrada pD1 del vapor de agua. Curva a: temperatura del agua de refrigeración de 12 °C (53,6 °F). Curva b: temperatura de 25 °C (77 °F). Consumo en ambos casos: 1 m3/h a 3 bar de sobrepresión.
Tabla XIII: presión de saturación ps y densidad del vapor eD del agua en un rango de temperatura de −100 °C (−148 °F) a +140 °C (+284 °F)
Cuestiones prácticas relativas al uso de condensadores
En la práctica, es habitual adoptar las siguientes medidas:
a) Se coloca una sección de estrangulación entre la bomba de gas ballast y el condensador, que puede cortocircuitarse durante el bombeo a baja presión. Debe ser posible regular la resistencia a la circulación de esta sección de estrangulación, a fin de que sea posible reducir la velocidad efectiva de la bomba hasta el valor necesario. Este valor puede calcularse mediante las ecuaciones indicadas en la página sobre el bombeo de gases: proceso húmedo.
b) Junto a la bomba de gran envergadura, y para el bombeo a baja presión, se coloca una bomba de retención de baja velocidad, de una envergadura correspondiente a la cantidad de gas mínima presente. El objetivo de esta bomba de retención es solamente mantener la presión de funcionamiento óptima durante el proceso.
c) La cantidad necesaria de aire se introduce en la línea de admisión de la bomba por medio de una válvula de fuga variable. Esta cantidad adicional de aire hace las veces de gas ballast ampliado, lo que aumenta la tolerancia al vapor de agua de la bomba. No obstante, esta medida suele provocar la reducción de la capacidad del condensador. Además, de admitirse una mayor cantidad de aire, se incrementan el consumo de energía y de aceite. Puesto que la eficiencia del condensador se deteriora de darse el caso de que la presión parcial de aire del condensador sea excesiva, la admisión de aire no debe encontrarse delante del condensador, sino detrás de él.
Si el tiempo que tarda en dar comienzo un proceso es menor que el de funcionamiento total, se emplea el método más sencillo (el de vacío primario con bomba de retención). Aquellos proyectos cuyas condiciones experimenten grandes variaciones necesitan de una sección de estrangulación regulable y, de ser necesario, una admisión de aire que también pueda regularse.
En el lado de admisión de la bomba de gas ballast siempre hay una presión parcial de vapor de agua p v2, de un valor como mínimo igual al de la presión de vapor de saturación del agua a la temperatura del refrigerante. Este caso ideal se da en la práctica únicamente de usarse un condensador de muy alta capacidad (véase la información anterior).
Principios de funcionamiento
En lo que a la práctica respecta y conforme a las normas fundamentales indicadas, imagínese las dos siguientes situaciones:
- Bombeo de gases permanentes con pequeñas cantidades de vapor de agua. Aquí, la envergadura de la combinación de condensador y bomba de gas ballast se decide en función de la cantidad de gas permanente bombeado. La función del condensador es simplemente reducir la presión del vapor de agua en el puerto de admisión de la bomba de gas ballast a un valor inferior al de la tolerancia al vapor de agua.
- Bombeo de vapor de agua con pequeñas cantidades de gases permanentes. Aquí, para disfrutar de una buena eficacia del condensador, se busca una presión parcial de los gases permanentes presentes en el condensador tan reducida como sea posible. Aun cuando la presión parcial de vapor de agua del condensador deba ser superior a la tolerancia al vapor de agua de la bomba de gas ballast, suele ser suficiente con una bomba de gas ballast de dimensiones relativamente reducidas, con la ulterior estrangulación necesaria para eliminar por bombeo los gases permanentes presentes.
Nota importante: Durante el proceso, si la presión del condensador cae por debajo de la presión de vapor de saturación del condensado (en función de la temperatura del agua refrigerante), el condensador debe bloquearse o, como mínimo, aislarse el condensado recogido. De no hacerse esto, la bomba de gas ballast volverá a bombear el vapor previamente condensado en el condensador.
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Referencias
- Símbolos de vacío
- Glosario de unidades
- Referencias y fuentes
Símbolos de vacío
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Un glosario de símbolos comúnmente utilizados en diagramas de tecnología de vacío como representación visual de tipos y piezas de bombas en sistemas de bombeo
Glosario de unidades
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Una descripción general de las unidades de medida utilizadas en la tecnología de vacío y el significado de los símbolos, así como los equivalentes actuales de las unidades históricas
Referencias y fuentes
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Referencias, fuentes y lecturas adicionales relacionadas con los conocimientos fundamentales sobre la tecnología de vacío
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Referencias y fuentes
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