Vapor como fluido calefactor
Presenta las siguientes ventajas
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Gran capacidad térmica.
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Gran condición de transporte de calor en la película
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No es toxico ni inflamable. #Baja viscosidad #Distribución uniforme en el volumen ocupado.
Instalación de vapor
Esta formado por:
#Caldera. #Intercambiador de calor.
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Lineas de enlace, de vapor, y de condensado.
Intercambiadores de calor
Son equipos que se encargan de transferir calor de un fluido a otro de forma directa (por mezcla) o separados físicamente por una barrera o superficie. Generalmente el fluido secundario que es calentado sirve para calefaccionar o dar calor a otro proceso, independizando al vapor de este proceso.
Para seleccionar un intercambiador de calor se tienen en cuenta diversos factores, como son: #Flujo de calor. #Tamaño y peso. #Caída de presión. #Economía.
Tipos de intercambiadores de calor de superficie
Doble tubo:
dos tubos, uno dentro del otro. Por cada uno circulan los diferentes fluidos y pueden ser paralelos o contracorriente según la circulación de los mismos.
Carcaza y tubo
Un fluido fluye por el interior de los tubos, mientras que otro es forzado a pasar a través de la carcaza, por fuera de los tubos. Se colocan deflectores o placas para asegurar un mayor intercambio de calor, y a su vez, se pueden encontrar varios pasos de tubos.
IQ Placas:
están formadas por una gran cantidad de placas paralelas. Por el interior de estas placas fluye un fluido que pasa a través de los tubos o lumbreras. Mediante juntas de goma o caucho se sella de manera que solo fluye por ella una de los dos fluidos que se hace circular, entonces hay dos tipos de placas: las de fluido frio y de fluido caliente. Se intercalan de ambos tipos la cantidad necesaria para formar así el intercambiador.
Chaqueta o camisa:
son depósitos o tanques de doble fondo, donde el fluido a calentar se encuentra estancado dentro del tanque, y por fuera, un fondo de vapor.
Sistema de distribución de vapor
Son las cañerías mediante las cuales se conecta la fuente generadora de vapor (caldera) y el usuario o el elemento que requiera dicho vapor.
El flujo de vapor en estos circuitos se da por la condensación del vapor, que provoca una caída de presión. Esta caída de presión induce el flujo de vapor a través de las tuberías. Al abrirse la válvula principal, el vapor de la caldera ingresara en las tuberías principales. Al estar frías las cañerías, el vapor le transfiere su calor y comenzara a condensarse a medida que avanza en las mismas. Esto se denomina como “carga de puesta en marcha”.
Cuando la tubería ya se haya calentado habrá condensación de todas maneras debido a que la misma le transfiere su calor al ambiente, enfriándose (carga de funcionamiento).
Las cañerías deberán estar diseñadas para que este condensado se almacene, mediante el arrastre del mismo vapor o por gravedad (breve pendiente de la cañería), en los puntos mas bajos del sistema, en donde se realizara la purga de los mismos.
Todo circuito de vapor básico deberá completarse con el retorno del condensado (ya sea de las cañerías o de los equipos de proceso) al tanque de alimentación de la caldera.
Presión de trabajo
Para seleccionar la presión de trabajo se debe tener en cuenta.
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Presión requerida en el punto de utilización.
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Caída de presión a lo largo de la tubería debido a la resistencia al paso del fluido .
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Perdidas de calor en la tubería.
La generación de vapor a elevadas presiones tiene las siguientes ventajas:
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Menor diámetro de tubería y menos perdida de calor.
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Menor coste de lineas de distribución y aislamiento.
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Vapor mas seco en el punto de utilización.
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Mejor capacidad de almacenamiento térmico en la caldera y mejor soporte a fluctuaciones de carga.
La presión deberá disminuirse a la presión de trabajo en los puntos de utilización.
Dimensión de las tuberías
Por lo general, Se conectan cañerías con el mismo tamaño con el que van a conectarse los accesorios o artefactos, lo que ocasiona que el caudal no sea el deseado. Para esto se utilizan conectores concéntricos y excéntricos.
La selección de tuberías se puede basar en la velocidad del fluido, relacionando el volumen de vapor que se transporta respecto a la sección, o en la caída de presión, relacionando las caídas de presiones en la tubería respecto a la presión necesaria en el punto de utilización. Las cañerías mas largas se calculan según la caída de presión
Sobre-dimensionar las tuberías genera:
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Costes de la instalación mas caros.
+
Mayor volumen de condensado debido a la mayor perdida de calor.
+
Menor calidad de vapor y de entrega de calor
Sub-dimensionar las cañerías genera:
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Velocidad del vapor y caída de presión mayor.
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Volumen de vapor insuficiente en el punto de utilización.
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Mayor riesgo a erosión, golpe de ariete y ruidos debido al aumento de velocidad.
Lineas de suministro de vapor
Pueden ser radiales o ramificadas considerando su economía, la estabilidad de presión y las perdidas de calor.
Aislaciones
Es un recubrimiento que se realiza por fuera de las tuberías con el objetivo de reducir las perdidas de calor por la transferencia por radiación que los tubos a alta temperatura emanan hacia el ambiente. Deberán aislarse todos los elementos (juntas, válvulas y otros accesorios). El espesor del aislante dependerá de:
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Costo de instalación.
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Valor del calor transferido.
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Tamaño de la tubería.
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Temperatura de la tubería.
Se basan en diminutas células de aire en una base de material inerte, enchapadas con aluminio.
Válvulas reductoras de presión
Lineas de distribución y purgas
Si la purga no se realiza de forma efectiva aparecerán problemas de corrosión y golpe de ariete, y el vapor se volverá húmedo. En condiciones extremas la sección por donde pasa el vapor se disminuirá y se aumentara la velocidad del mismo.
Puntos de purga
El punto de purga debe ser seleccionado cuidadosamente ya que sino la utilización de los purgadores sera inefectiva. Debe considerarse ademas que cuando se produce una parada el condensado, por gravedad (debido a la leve inclinación de las cañerías), se acumulara en los puntos bajos del sistema, donde deberá montarse un purgador.
Golpes de ariete y sus efectos
El golpe de ariete se produce cuando el condensado es arrastrado por el vapor a lo largo de la tubería y se detiene bruscamente al impactar contra algún obstáculo del sistema. Las gotas de agua acumuladas a lo largo de la tubería forman con el tiempo una bolsa “solida” que sera arrastrada por la tubería a la velocidad de vapor. Cuando se obstruye el paso de estas bolsas de agua la energía cinética que poseen se convierte en un golpe de presión contra el obstáculo, produciendo ruido y vibraciones.
Puede evitarse si se toman medidas correctas para que no se acumule el condensado. Evitarlo es mejor que intentar contenerlo.
Las causas de estos son:
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Pandeo de la línea.
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Uso incorrecto de reductores y filtros.
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Purga inadecuada en las lineas de vapor.
Pueden minimizarse mediante:
- Correcta circulación del condensado y ubicación de puntos de purga.
- Válvula de retención después de los purgadores para que el condensado no retorne a la línea.
- Las válvulas de aislamiento deberán abrirse lentamente para permitir que el condensado del sistema pueda fluir a través de los purgadores antes de que el vapor lo arrastre.
Separador de gotas
Deben seleccionarse basándose en el tamaño de la línea, la velocidad y caída de presión para cada aplicación. Tan pronto como el vapor sale de la caldera, parte de este condensa para reponer el calor perdido a través de la pared de la tubería que se acumulara si no se actuá sobre el mismo. Si parte de este condensado se une al flujo de vapor en forma de gotas, el vapor llegara a la salida muy húmedo, reduciendo el rendimiento y la vida útil de las válvulas de control. Un separador de gotas evacuara tanto las gotas de agua en las paredes de la tubería como la humedad suspendida en el vapor. La presencia y efecto del golpe de ariete pueden evitarse mediante un separador.
Filtros
Deben montarse delante de cada purgador, aparato de medida, válvula reductora o válvula de control. Mientras que el agua pasara con facilidad por el tamiz, la suciedad quedara retenida. Deben montarse de forma horizontal a la línea para evitar que generen golpes de ariete.
Derivaciones
Son normalmente mucho mas cortas que las lineas de distribución principal y se dimensionan para velocidades mayores. Estas derivaciones transportan vapor mucho mas seco cuando toman el vapor de la parte superior de la cañería principal. En estas derivaciones también hay puntos bajos en los cuales deberá haber un punto de purga.
Selección de purgadores
Deben ser adecuados para el sistema y tener la capacidad para evacuar la cantidad de condensado que llegue a ellos y con las presiones diferenciales presentes en cualquier momento.
Se deben considerar ciertos aspectos:
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Debe descargar a la temperatura de saturación, a no ser que la tubería de enfriamiento sea larga entre el punto de purga y el purgador.
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Se deben considerar el ambiente en el que trabaja el purgador, ya que existe la posibilidad de que las heladas causen daño.
Presencia de condensado: Provoca: #
Corrosión
Provoca la degradación del material del sistema y produce una perdida en sus propiedades y contamina el fluido.
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Ruido
Debido a la vibración (por lo general producida por los golpes de ariete), produce un movimiento en el equipo que puede a ocasionar grietas.
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Abrasión
Se da cuando partículas duras golpean la superficie interior de los tubos, produciendo un constante desprendimiento de material, generando contaminación del fluido y haciendo una superficie rugosa que reduce la velocidad del vapor.
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Golpes de ariete (ya mencionados anteriormente).
Fugas de vapor
Pueden tener alto coste en sentido económico y ambiental, por lo que requieren de pronta atención para segurar que el sistema de vapor trabaje con un rendimiento optimo y un mínimo impacto ambiental.
Resumiendo
- Se deben instalar las tuberías de manera que desciendan en la dirección del flujo de vapor, con una pendiente no menor a 40 mm por cada 10 metros de tubería.
- Deben purgarse las lineas a intervalos regulares de 30 a 50 metros y en cualquier punto bajo del sistema.
- Se debe realizar un pozo de goteo de gran tamaño en la tubería si se desea colocar un purgador en un tramo recto
- La tubería deberá montarse de manera que haya el mínimo numero de puntos bajos.
- Los filtros deberán montarse con la cesta en posición horizontal.
- Las derivaciones deberán partir de la parte superior de la línea para tomar vapor mas seco.
- Debe considerarse la utilización de un separador de gotas ante cualquier equipo que utilice vapor.
- Los purgadores deberán ser apropiados para su entorno y robustos para evitar el riesgo de daños por golpes de arietes.
Dilatación de las tuberías
Debido a la temperatura que presentan las tuberías cuando transportan vapor, estas suelen expandirse, especialmente en longitud, lo que creara tensiones en ciertas zonas del sistema de distribución que pueden llegar a romperse.
Para disminuir estos efectos, se utilizan ciertos accesorios como son:
# Curva completa:
Vuelta entera a la tubería. Se hará hacia arriba para quie el condensado no quede en la punta.
# Lira o herradura:
Una variación de la curva completa que tiende a abrirse ligeramente hacia afuera.
# Curva de dilatación:
Se fabrican con tramos rectos y codos a 90° soldados.
# Junta deslizante:
Se usan por el reducido espacio que ocupan, pero la tubería debe estar rígidamente anclada y guiada. De no ser así, la presión del vapor actuá sobre el casquillo de la junta, provocando un movimiento de oposición a las fuerzas debidas a la expansión de la tubería. Si no están bien guiadas el casquillo se curvara requiriendo un mantenimiento regular.
# Fuelles:
Tienen la ventaja de ser un accesorio que se monta en la línea y no requiere empaquetadura. Desventajas, la presión interna tiene tendencia a alargar el accesorio, por lo que los anclajes y las guiás deberán soportar estas fuerzas. Pueden incorporarse a diversos dispositivos de expansión de diseño adecuado siendo capaz de absorber también el movimiento lateral y angular.
Flexibilidad de la tubería
Debe ser lo suficientemente flexible para adaptarse a los movimientos de los componentes al calentarse. La mayoría de las veces la tubería posee flexibilidad naturalmente, pero en otras se deben incorporar medios para lograrla.
Distancia entre soportes de tubería
La distancia de la tubería variara según el diámetro, el material, y la posición de la misma.
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Deberán ir montados en las uniones de tuberías, para eliminar las tensiones en juntas roscadas o con bridas, y a intervalos no mayores a los indicados por norma.
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Cuando hay dos o mas tuberías soportadas por un accesorio común, la distancia entre los puntos de soporte debe ser la adecuada para la tubería de menor tamaño
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Cuando el movimiento vaya a ser considerable (tramos rectos de longitud superior a 15 metros) los soportes deberán ser del tipo patín.
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Todos los soportes deberán adaptarse al diámetro de la tubería.
Los patines son un método de soporte de tubos que permiten el movimiento en dos direcciones.
Eliminación de aire
Al introducirse vapor en una línea después de un periodo de parada, la tubería estará llena de aire. Si este aire no se elimina adecuadamente, contribuirá a disminuir el rendimiento de la planta. Al ejercer el aire una presión parcial dentro del espacio vapor, la presión de vapor indicada por el manómetro sera distinta a la que posee realmente, debido a que el manómetro medirá la suma entre la presión del aire y del vapor. Ademas, una capa de aire disminuye la transferencia de calor.
Los eliminadores de aire automáticos son purgadores montados a un nivel superior al del condensado de forma de que lo alcancen el vapor, el aire, o mezclas de estos. Las mejores ubicación de estos son:
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Lineas principales o derivaciones de gran diámetro.
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En paralelo a un purgador de cubeta invertida, debido a que estos no purgan correctamente el aire en el arranque.
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En espacios de vapor complicados.
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Cuando hay un gran espacio de vapor y debe evitarse la mezcla de vapor/aire.
Reducción de perdidas de calor
Cuando se ha calentado la línea de vapor, se sigue produciendo condensado debido a la carga de funcionamiento. Para que un sistema sea máximamente eficiente, se deberán reducir las perdidas de calor a la mas mínima posible.
El espesor de aislamiento rentable dependerá de:
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Coste de instalación.
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Valor del calor transportado por el vapor.
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Tamaño de la tubería.
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Temperatura de la tubería.
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Velocidad del aire y capacidad de amortiguamiento del aislante (solo en tuberías exteriores).
Se deberán aislar todos los elementos calientes del sistema.
Purgadores/trampas de vapor/eliminadores
Un purgador sera el elemento encargado de “purgar” el condensado (ademas del aire y otros gases condensables) fuera del sistema, permitiendo al vapor vivo alcanzar su destino y hacer su trabajo lo mas eficiente y económicamente posible.
Existen muchos tipos diferentes y cada uno tiene sus ventajas e inconvenientes. Es fundamental seleccionar el purgador correcto para el sistema que se necesita purgar.
Los purgadores deberán:
# Eliminar el aire:
En la puesta en marcha, el purgador debe ser capaz de descargar aire. Hasta que el aire no sea desplazado, el vapor no puede entrar en su espacio propio y el calentamiento sera lento. Las perdidas fijas aumentan y la eficiencia de la planta disminuye.
# Extracción de condensado:
Una vez eliminado el aire, el purgador deberá eliminar el condensado pero no el vapor. El purgador ha de dejar pasar el condensado mientras que atrapa al vapor. Si la velocidad de traspaso de calor es critica en el proceso, se ha de descargar el condensado inmediatamente y a la temperatura del vapor.
# Rendimiento térmico:
Se debe valorar la cantidad de calor aprovechable por unidad de peso y como influencia el purgador en este (se busca descargar el condensado a la temperatura mas baja posible). Siempre debe considerarse la necesidad del proceso.
La manera en que el proceso esta conectado al sistema vapor y condensado le hará elegir el tipo de purgador que trabajara mejor bajo esas circunstancias.
Una vez elegido se deberá dimensionar el sistema y los parámetros del proceso como son:
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Presiones máximas y de trabajo de vapor y condensado.
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Temperaturas y caudales.
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Si el proceso esta controlado por temperatura.
# Fiabilidad:
Es la posibilidad de trabajar en condiciones normales con el mínimo de atención. Estas condiciones son:
# Revaporizado:
Se produce cuando el condensado caliente pasa de un sistema de alta presión a una presión inferior, disminuyendo su punto de ebullición y revaporizandose. El revaporizado no se deberá confundir con el vapor vivo cuando se analiza un purgador.
Tipos de purgadores:
# Ternostático (Cambios de temperatura)
La temperatura del vapor saturado esta establecida por su presión. Un purgador termostático capta la temperatura y posiciona la válvula en relación al asiento para descargar el condensado.
# Trampa termostática:
Funciona con una capsula que posee un liquido con una temperatura de ebullición algo inferior a la del agua. En las condiciones frías del arranque, la capsula esta en posición de reposo, la válvula esta abierta, y permite el paso del aire y del condensado libremente (están bien adaptadas para el venteo).
A medida que ingresa el condensado, se transfiere calor al liquido del interior de la capsula, el cual empieza a hervir antes de que el vapor llegue al purgador. La presión del vapor dentro de la capsula hace que se expanda y cierre la válvula. Cuando el condensado se enfriá, el vapor de dentro de la capsula se condensa y la capsula se contrae, abriendo la válvula y descargando el condensado nuevamente, repitiendo el ciclo.
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Carácterísticas
+
Sirve para presión constante o modulante.
+ Tiene descarga intermitente
+ Buena vida útil
+ No hay fugas de vapor vivo
+ La suciedad puede obstruir los orificios.
+ No resiste golpes de ariete.
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Purgador bimetálico:
Son pares de placas unidas con diferente coeficiente de dilatación, solidarias a un vástago que abre o cierra la válvula de salida del condensado.
Se deben utilizar distintos elementos, como es utilizar mas de 1 bimetal en el mismo purgador, para seguir de mejor manera la curva de saturación y reconocer de mejor manera los cambios de presión y temperatura.
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Carácterísticas:
+
Son compactos y tienen un amplio rango de trabajo, proporcionan buena eliminación de aire y no condensables ya que al principio están abiertos, soportan golpes de ariete y ataques corrosivos.
+ No presentan una eliminación de condensado instantánea, se bloquea por suciedad, no soporta la contrapresión.
# Mecánicos(Cambios de densidad del fluido).
Se basa en la diferencia de densidad entre el vapor y el condensado. Existen dos tipos distintos, los purgadores de boya cerrada, la cual sube en presencia de condensado, y los de cubeta invertida, la cual flota cuando el vapor alcanza el purgador y cierra una válvula. Son esencialmente mecánicos en su método de funcionamiento.
+ Purgador de boya cerrada:
Al llegar el condensado la boya sube, abriendo la válvula y soltando el condensado. Cuando el vapor llegue, la boya se hundirá y cerrara la válvula hasta que se presente condensado nuevamente. La válvula siempre funcionara inundada y no permitirá el paso de vapor ni aire, por lo que utilizan un eliminador termostático de aire para la puesta en marcha.
El eliminador de aire funciona igual que un purgador termostático, y se encuentra en el espacio de vapor por encima del nivel del condensado. Después de eliminar el aire que hay al inicio, permanecerá cerrado hasta que se acumule aire u otros gases, haciendo que se abra de nuevo.
Carácterísticas
– Descarga continua, larga vida útil, no existen fugas, excelente para trabajos con presión modulante.
– La suciedad puede obstruir la descarga, no resiste golpes de ariete.
+ Purgador de cubeta invertida:
Es una cubeta invertida unida por una palanca a una válvula. En el arranque, la cubeta cuelga haciendo que la válvula se separe del asiento, el condensado fluye por debajo de la cubeta llenando el cuerpo y saliendo por la salida de vaciado. Al ingresar vapor, la boya flota, sube y cierra la válvula. La válvula permanecerá cerrada hasta que el vapor dentro de la cubeta se haya condensado o haya salido por el orificio de venteo, hundíéndose nuevamente la boya y abriendo la válvula, repitiendo el ciclo.
El aire que ingresa durante la puesta en marcha también hará flotar la boya y cerrara la válvula. Este aire deberá pasar por el orificio de venteo y se acumulara en la parte superior de la trampa, eliminándose posteriormente por la válvula.
Carácterísticas
– Excelente para presiones constantes o casi constantes, descarga intermitente, no hay fugas de vapor, buena vida útil, es muy resistente a los golpes de ariete, absorbe pequeñas variaciones en el flujo del condensado, La suciedad se acumula en el fondo y puede ser descargada en la apertura.
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Termodinámicos (Cambios de dinámica en el fluido)
Su funcionamiento depende de la formación de revaporizado del condensado.
+ Purgador termodinámico:
Durante el arranque la presión de condensado eleva el disco de la cámara de control, descargando tanto el condensado como el aire. Al calentarse el condensado se generara vapor flash que con la alta velocidad de escape generaran una reducción de presión por debajo del disco que, sumada con la que se ejerce sobre el disco, hará que se cierre la válvula quedando apoyada sobre su asiento.
Cuando el vapor sobre el disco condensa y disminuye la presión, el disco se elevara y se repitiera el ciclo.
- Carácterísticas:
- Trabaja con presión constante o modulada, y con descarga intermitente, resiste los golpes de ariete.
- Hay fugas de vapor vivo cuando no hay condensado, La suciedad puede obstruir orificios de descarga, no reconoce la presencia de condensado en la línea
Línea de retorno de condensado
Consideraciones para el diseño:
- Trampas de vapor
- Trampas de alimentación
Puede ser:
- Seco (vapor + condensado)
- Húmedo (gran subenfriado)
- Abierto (tanque a Patm)
- Cerrado (P > Patm)