eyectores y termocompresores
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EYECTORES
1. INTRODUCCIÓN
La caña de azúcar es una gramínea sembrada en todos
los continentes que ofrece no tan solo alimentos sino también
combustible y energía renovables anualmente y sin
afectaciones al medio ambiente. La tecnología industrial
empleada permite la disponibilidad de materias primas para
diversas producciones que junto con la producción de
energía, elevan el valor agregado del azúcar, principal
producto obtenido de esta agroindustria.
La Industria Azucarera Cubana, en estos últimos años
ha estado sumergida en un proceso de rehabilitación y
crecimiento económico con el objetivo fundamental de
aumentar la calidad de las producciones y una disminución
en los costos de las mismas para poder competir en un
mercado abarrotado de azúcar de alta calidad a muy bajos
precios.
En esta estrategia el mayor peso lo lleva el aumento de la
producción cañera y los trabajos en la calidad y los costos del
azúcar, pero existen otras variantes como la diversificación
de las producciones que puede llegar a ser una alternativa
muy valiosa para lograr una mayor revalorización de la caña,
además de una mejor y más variada oferta de surtidos en el
mercado.
La importancia de la caña como materia prima radica no
sólo en su alto contenido de azúcar, sino que además el
bagazo constituye una fuente capaz de satisfacer los
requerimientos energéticos del complejo productivo.
También es un hecho conocido que en la economía de
nuestros días el bagazo puede ser utilizado como materia
prima por muchas industrias y, por consiguiente, ya no
resulta económico quemar todo el bagazo en los hornos. Sin
embargo, para poder ahorrar bagazo es indispensable
disminuir el consumo de vapor del proceso. Una técnica de
ahorro energético en los procesos es la utilización de los
eyectores.
2. EYECTORES
Ordinariamente cuando uno se refiere a los aparatos de
chorro se acostumbra usar el término "eyector " que cubre
todos los tipos de bombas de chorro que no cuentan con
partes móviles, que utilizan fluidos en movimiento bajo
condiciones controladas y que descargan a una presión
intermedia entre las presiones del fluido motor y de succión.
El eyector a chorro de vapor es el aparato más simple que
hay para extraer el aire, gases o vapores de los
condensadores y de los equipos que operan a vacío en los
procesos industriales. Es un tipo simplificado de bomba de
vacío o compresor, sin partes móviles, como válvulas,
pistones, rotores, etc. Su funcionamiento está dado por el
principio de conservación de la cantidad de movimiento de
las corrientes involucradas.
Los eyectores o bombas de chorros, son máquinas cuyo
trabajo se basa en la transmisión de energía por impacto de
un chorro fluido a gran velocidad, contra otro fluido en
movimiento o en reposo, para proporcionar una mezcla de
fluido a una velocidad moderadamente elevada, que luego
disminuye hasta obtener una presión final mayor que la
inicial del fluido de menor velocidad.
Los eyectores se emplean muy comúnmente para extraer
gases de los espacios donde se hace vacío, por ejemplo, en
los condensadores, en los sistemas de evaporación, en torres
de destilación al vacío y en los sistemas de refrigeración,
donde los gases extraídos son generalmente incondensables,
tales como el aire. Aunque también se usan en el mezclado de
corrientes como por ejemplo en los procesos de sulfitación en
ingenios azucareros.
Los intervalos típicos del vacío producido por lo diferentes
arreglos de eyectores son los siguientes:
}
Gráfica N°1: Vista de un eyector
Cuadro N°1: Condiciones de operación de un eyector
Vacío que es capaz de
proporcionar
Tipo de arreglo de eyectores
pulg Hg mm Hg
26 66 un eyector de una etapa
29.3 74.4 un eyector de dos etapas
29.9 75.95 un eyector de tres etapas
Un eyector no es más que una combinación de tobera
con un difusor, acoplado convenientemente en un mismo
equipo y está formado, en general, por cinco partes como se
muestra en la figura:
Fuente:
http://www.kinetic-therm.com/anglais/produit/ejec-termo-
vacc/ejec-termo-vacc.htm
La tobera permite la expansión de la corriente o fluido
motriz (también llamado primario o actuante) hasta un
estado con alta velocidad. La cámara de eyección incluye la
sección de entrada de la corriente o fluido eyectado (también
llamado secundario); en esta cámara, el fluido eyectado es
arrastrado por el fluido motriz. La cámara de mezcla permite
el mezclado íntimo entre los fluidos motriz y eyectado, lo que
implica la aceleración del fluido eyectado y la desaceleración
del fluido mezclado (mezcla del motriz y el eyectado), con el
consiguiente aumento de presión.
De acuerdo al fluido motriz el eyector, se denomina: de
vapor, cuando lo que circula por su interior es vapor de agua
o hidráulico, cuando su fluido motriz es agua.
Los cálculos para el diseño de un eyector son engorrosos
(ocurren tres procesos distintos: expansión, compresión y
mezclado, por lo que hay métodos específicos para cada tipo
de eyector), el mismo consiste en determinar las longitudes
de la tobera, el difusor y la cámara de mezcla, así como las
áreas de flujo y sus ángulos. Una vez diseñado el equipo, el
mismo debe operar a las condiciones estacionarias para las
cuales se diseñó y el cálculo fundamental es el del coeficiente
de eyección o relación de arrastre:
coeficiente de eyección = flujo motor / flujo arrastrado
Con el objetivo de aumentar la capacidad de arrastre del
eyector y disminuir la presión en la succión, se pueden
utilizar sistemas de eyectores, en cuyo caso entre eyector y
eyector se acopla un condensador barométrico.
Ventajas
Son de diseño simple con gran flexibilidad, fáciles de
construir, ocupan poco espacio, son fáciles de manejar,
confiables.
Su costo de mantenimiento (no necesita lubricación, ni se
desgasta) es bajo, no tienen partes móviles como válvulas,
pistones, rotores, etc. y las sustituciones de piezas o partes
son poco frecuentes (los más comunes son de toberas de
acero inoxidable y de cámara y difusor de hierro fundido, los
materiales cambian según su uso), y bajo costo de servicio o
operación.
No necesita cimentación y puede ser sujetado conectando las
tuberías.
Desventajas
Su costo operacional es relativamente alto debido al
consumo de fluido motor, generalmente vapor. En este caso
utiliza vapor tomado directamente de los generadores (alta
presión), el que, después de expandirse, mezclarse y
comprimirse es totalmente condensado, descargándose al
pozo barométrico con pérdidas de todo su calor latente.
Sobre base anual el costo de operación es generalmente
mayor que el costo inicial del equipo, de aquí que su
rendimiento económico sea bajo.
Tienen una baja eficacia mecánica y falta de flexibilidad para
las variaciones de las condiciones de operación.
3. CLASIFICACIÓN
De acuerdo con las condiciones mantenidas en la
cámara de mezcla se clasifican en dos tipos, de sección que
permite mantener la presión constante y con sección de área
constante.
Dadas sus ventajosas características de construcción,
operación, instalación, mantenimiento y costo, las bombas de
chorro han encontrado una vasta aplicación en la industria,
desarrollándose constantemente nuevos usos para los
mismos. Esta variedad de aplicaciones ha originado a su vez
una nueva terminología que describe grupos de aparatos con
características especificas como sigue:
Eyector: Cubre todos los tipos de bombas de chorro
descargando a una presión entre las presiones motriz y de
succión.
Inyector: Usa un gas condensable para introducir o aspirar
un liquido y descargar contra una presión mayor que
cualquiera de las de succión o motriz. En la actualidad está
restringido a los alimentadores de las calderas de vapor.
Sifón: Es una bomba de chorro para liquido que usa vapor
como fluido motriz.
Eductor: Bomba de chorro para liquido que usa un liquido
como fluido motor.
Extractor: Bomba de chorro para gas que utiliza un liquido o
un gas como fluido motriz.
Soplador de chorro: Bomba de chorro para gas que
bombea gases contra presiones diferenciales muy bajas.
Compresor de chorro: Bomba de chorro para gas usada
para levantar la presión de gases.
Lavador de gas: Para bombear aire y gases contra
presiones diferenciales muy bajas usando un liquido como
fluido motor. Son llamados también "lavadores de vapor,
aspirador de humos o absorbedores de vapores" y se usan
para lavar gases, así como vapores y emanaciones molestas.
Termocompresor: Para comprimir un vapor utilizando
como fluido motriz vapor.
4. TERMOCOMPRESORES
La práctica de recomprimir un vapor para aumentar su
temperatura y permitir nuevamente su uso, se llama
TERMOCOMPRESION. Este principio encuentra
continuamente aplicaciones más amplias en la industria.
En una fábrica de azúcar de caña bien diseñada o
equilibrada, el vapor necesario para el proceso es
aproximadamente un 15 % menor que la cantidad disponible
procedente del escape de los turbogeneradores, o sea, que
las necesidades de vapor de escape para la concentración son
muy superiores a las cantidades de vapor de escape
disponibles. Una fábrica así debe entonces expandir una
cantidad importante de vapor vivo, para completar su vapor
de escape. Esta expansión se lleva a cabo generalmente en
una válvula reductora sin obtener ningún beneficio. Dadas
sus ventajosas posibilidades de ahorro de vapor se podría
hacer esta expansión en un termocompresor. La energía del
vapor directo, o vapor de alta, en un central azucarero se
utiliza para producir energía eléctrica y energía mecánica.
Una cantidad determinada de vapor de alta se reduce hasta
los parámetros de vapor de escape para complementar las
necesidades de vapor. En este caso, la capacidad de trabajo
del vapor directo que se reduce se pierde y precisamente
para no perder esta capacidad de trabajo es que se utilizan
estos equipos.
El termocompresor es un eyector vapor–vapor destinado
a economizar vapor. Puede instalarse en cualquier posición,
horizontal, vertical o inclinado para equilibrar
automáticamente el consumo de vapor del proceso entre el
vapor vivo y el vapor de escape. Permite elevar los
parámetros de presión del vapor en cierta medida y por
consecuencia, su temperatura; con la ayuda de otro vapor
que tenga mayor potencial de presión y temperatura.
Figura N°2: Esquema de un termocompresor
Ecuaciones Básicas
Para el cálculo de termocompresores las ecuaciones
fundamentales son:
Balance de materiales en el termocompresor:
mA + mC = mb (1)
mA = mB y ma = mb
Balance de cantidad de movimiento en la cámara de
mezcla:
y (2)
(3)
(4)
Balance de energía en el termocompresor:
(5)
Como no se realiza trabajo(WS =0), y despreciando D Ek,
D Ep y las pérdidas de calor al medio (Q = 0) queda que:
(6)
(7)
(8)
(9)
Según Kern:
(10)
e1 . e2 . e3 = 0 .75 - 0.8 (eficiencia total)
e1 = 0.95 -0.98 (eficiencia en la boquilla)
e2 = 0.9 - 0.95 (eficiencia de compresión en el difusor)
e3 = 0.8 - 0.85 (eficiencia de la transferencia de
momentum)
HA - entalpía del vapor vivo, Btu / lb.
HB - entalpía del vapor vivo después de su expansión
isoentrópica a la presión p2, Btu / lb.
Ha - entalpía de la mezcla al principio de la compresión
en la sección del difusor a p2, Btu / lb.
Hb - entalpía de la mezcla después de la compresión
isoentrópica de p2 a la presión de descarga p3, Btu / lb.
mC / mA - (lb de vapor arrastrado / lb de vapor motriz).
Según Espinosa:
Partiendo de la ecuación de continuidad se llega a la
siguiente ecuación empírica:
(11)
De – Consumo de vapor del termocompresor (kg de
vapor / h).
d - Diámetro del estrangulamiento en la tobera (cm).
P – Presión del vapor de entrada (kg / cm 2 abs. ).
Ve – Volumen específico del vapor (m 3 / kg).
Para valorar la efectividad en el funcionamiento de este
equipo se han definido varios parámetros:
Hugot define:
Relación de arrastre ( m ) = Flujo másico de vapor
aspirado / Flujo másico de vapor motriz
El propio autor hace el cálculo por las fórmulas de
Truffault.
(12)
(13)
T0 - Temperatura del vapor por comprimirse (° C).
Tm - Temperatura correspondiente a la presión pm de la
mezcla, es decir del vapor en la calandria (° C).
p - Presión absoluta del vapor motriz (kgf / cm2 ).
m o - Relación de arrastre en una boquilla nueva.
pm - Relación absoluta de la mezcla de vapores(kgf /
cm2).
po - Presión absoluta del vapor por comprimirse (kgf /
cm2).
m - Relación de arrastre integrando el desgaste de las
boquillas.
Jenkins plantea que este parámetro toma el valor de
tres[ Jen85] y Tromp que toma valor igual a uno.
Socolov utiliza además del coeficiente de eyección:
Relación de expansión (PA / PC), es la relación que existe
entre la presión del vapor de alta y la del vapor aspirado. La
eficiencia del termocompresor es directamente proporcional
a la relación de expansión. Básicamente, para una presión del
vapor de baja determinada, mientras mayor sea la presión del
vapor de alta, mayor será la eficiencia del mismo.
Grado de compresión (Pb / PC) es la relación que existe entre
la presión del vapor comprimido y la del vapor aspirado. La
eficiencia del termocompresor es inversamente proporcional
al grado de compresión, esto significa que para una mayor
presión del vapor comprimido, menor será la eficiencia del
equipo.
Aplicaciones
Se utilizan en varias industrias:
Pulpa y papel, Como compensador para cambios de
temperatura y presión de descarga de los secadores de vapor
en el aprovechamiento de las corrientes residuales.
Farmacéutica, Recuperación de corrientes residuales de
secado al vacío de productos sensibles al calor y obtención de
extractos de hormonas.
Alimentaria, Recuperación de vapores extraídos de los
alimentos (jugos de frutas, etcétera) durante el proceso de
concentración.
Química y Petroquímica, Recuperación de vapores de
equipos tales como secadores, deodorizadores, etc. , en la
desalinización y en la obtención de productos orgánicos.
Generación de electricidad.
Aerospacial.
Azucarera:
o Para elevar la presión del vapor a la entrada de la
calandria del primer vaso de múltiple.
o Para aumentar la evaporación del primer vaso del
múltiple.
o Para elevar la presión del vapor de escape en un
pre o vaporcell.
o Para mejorar la evaporación y el calentamiento en
calentadores.
o Para poder rectificar utilizando vapor de escape
con poca presión.
o Para mejorar la evaporación en el primer y segundo
vaso del múltiple efecto.
o Para mejorar la evaporación en los evaporadores y
el trabajo de los calentadores.
o Recuperación de condensados.
o En cristalizadores.
o Para auxiliar vacío en los tachos.
5. LIMITACIONES PARA SU UTILIZACIÓN
Si una fábrica produce en sus máquinas, el vapor de
escape que consume en la concentración, la
termocompresión no presenta ningún interés. Por lo que los
turbogeneradores de la fábrica deben producir menos vapor
de escape que la cantidad requerida en el proceso. Es decir
que el vapor de alta que va a la reductora sea siempre más
del 15 % del total de las necesidades de vapor en el proceso
tecnológico, en una fábrica donde lógicamente no estén
sobrepotenciados sus equipos primarios, ni mal aprovechados
o utilizados sus equipos del proceso.
El aumento de presión entre los vapores a la salida y a la
entrada del termocompresor tiene que ser necesariamente
pequeño, (TA – Tb ) < = 10 ºC.
Una elevación del punto de ebullición (EPE) pequeña.
6. CONCLUSIONES
El eyector cubre todos los tipos de bombas de chorro
que no cuentan con partes móviles, que utilizan fluidos en
movimiento bajo condiciones controladas y que descargan a
una presión intermedia entre las presiones del fluido motor y
de succión.
El termocompresor es un tipo de eyector vapor-vapor
destinado a economizar vapor en las industrias.
Se lograron reunir las ecuaciones para la evaluación de estos
equipos, así como las ventajas y desventajas, aplicaciones y
límites de utilización de los mismos.
La información que se presenta constituye una herramienta
útil para los cálculos ingenieriles de este tipo de equipo.
7. BIBLIOGRAFÍA
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Química". Editorial Pueblo y Educación. Ciudad de la
Habana; 1990.
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Editorial Pueblo y Educación. Ciudad de la Habana; 1987.
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Ciudad de la Habana; 1986.
6.http://www.foxvalve.com/index2.html
7.http://www.foxvalve.com/frameset-thermo.html
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Editorial Pueblo y Educación. Ciudad de La Habana; 1980.
10. Jenkins, G; "Introducción a la tecnología del azúcar de
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11. Kern, Donald; "Procesos de transferencia de calor".
Edición Revolucionaria. Ciudad de La Habana; 1986.
12.http://www.kinetic-therm.com/anglais/produit/ejec-termo-
vacc/ejec-termo-vacc.htm
13. Lima, Manuel; "Sistemas de eyectores hidráulicos de
vacío en la industria azucarera". Información Científica.
14. Lyle, Oliver; " The efficient use of steam". Majesty’s
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15. McCabe, Warren; "Operaciones básicas de Ingeniería
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16. http://www.nciweb.net/thermoco.htm
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Químicos". Editorial Pueblo y Educación. Ciudad de la
Habana, 1987.Pag 251-253.
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19. Tromp, L; "Machinery and equipment of the cane sugar
factory". Norman Rodger Edition. London; 1936.
20. http://www.s-k.com/pr_termo.htm