Selección del diseño de los purgadores de vapor

Al seleccionar el diseño y tamaño adecuados del purgador de vapor para una aplicación particular, las instalaciones químicas pueden mejorar el rendimiento del sistema y del proceso, así como la confiabilidad del equipo.

El personal de mantenimiento de planta a veces elige sus purgadores de vapor basándose en el tamaño de la conexión de la tubería y la disponibilidad en el almacén de la planta. Para los contratistas o constructores de ingeniería involucrados en proyectos de nueva construcción, la elección frecuentemente se ve impulsada por factores de costo o entrega.

Existen muchas marcas y modelos de purgadores de vapor disponibles, pero no siempre se presta atención a las diferencias en las características o el rendimiento entre ellos. A veces, el personal de planta tiene la idea errónea de que «un purgador es un purgador» y que todos funcionan igual.

Diseños mecánicos

El funcionamiento de los purgadores mecánicos se basa en el movimiento de objetos flotantes abiertos o cerrados para accionar la válvula. Los purgadores mecánicos (o combinaciones de bomba/purgador) se dividen en una de tres clasificaciones:

• Purgadores de flotador y termostáticos, donde la flotabilidad del objeto flotante abre la válvula.
• Purgadores de balde invertido, donde la flotabilidad del objeto flotante cierra la válvula.
• Purgadores combinados de bomba y flotador (bomba/purgador), donde la flotabilidad del objeto flotante abre una válvula de purgador principal y una válvula motriz de presión secundaria. Esta acción combinada y sincronizada permite que un vapor de mayor presión descargue el condensado a través de la válvula del purgador principal.

Purgadores de flotador y termostáticos (F&T)

Utilizan un flotador esférico o elíptico sellado que adquiere flotabilidad cuando el nivel de agua en el purgador sube, y un elemento termostático sensible a la temperatura se abre para ventilar el aire y otros gases incondensables que entran en el purgador durante la operación. Los dos tipos de purgadores F & T comúnmente utilizados son el de flotador libre y el de flotador con palanca.

El purgador de flotador libre contiene solo una pieza móvil: el flotador. Como su nombre indica, no tiene palancas ni varillajes. No se requiere ningún mecanismo de palanca para separar la válvula del asiento. En su lugar, el flotador mismo es la válvula, y la fuerza de flotación del condensado sirve para «rodar» en lugar de tirar de la válvula fuera del asiento a medida que el nivel de condensado en el purgador sube. El movimiento rotacional de la válvula de flotador permite una apertura precisa para coincidir perfectamente con los requisitos de flujo.

A medida que aumenta la carga de condensado, el flotador gira hacia arriba contra el lado superior del asiento de la válvula, ensanchando la apertura del área de descarga. Bajo cargas pesadas, el flotador se levanta completamente del asiento. Responde inmediatamente a los cambios en el flujo de condensado o diferencial de presión.

La acción rotatoria del flotador también ayuda a mantener limpio el asiento y permite renovar su superficie de sellado cada vez que se posa contra el asiento, eliminando el desgaste concentrado que muestran otros tipos de purgadores. Algunos purgadores de flotador libre incorporan un diseño de asiento de tres puntos para garantizar un sellado perfecto del flotador contra el asiento de la válvula, incluso en aplicaciones sin carga. Este diseño es útil en condiciones de vapor sobrecalentado. Los purgadores de flotador libre también contienen un elemento termostático para el venteo rápido de aire y otros incondensables.

El flotador y la válvula de un purgador de flotador con palanca están unidos a los extremos opuestos de un mecanismo de palanca que pivota sobre un fulcro. Cuando el flotador está en su posición más baja, la válvula principal está cerrada.

Se incorpora un elemento termostático cerca de la parte superior del purgador como un dispositivo de venteo de aire automático. El flotador adquiere flotabilidad con la entrada de condensado y levanta la válvula principal del asiento para permitir la descarga de condensado. Un mayor flujo de condensado hacia el purgador significa una mayor flotabilidad del flotador y una tasa de descarga subsiguiente más alta. A temperaturas cercanas a la del vapor, el elemento termostático cierra la válvula de venteo separada. Cuando la carga disminuye, el flotador baja, acercando la válvula principal a su asiento. La válvula se cierra cuando cesa el flujo de condensado.

La principal ventaja de la palanca de flotador es el precio: estos purgadores manejan altas cargas a un costo relativamente bajo. Por otro lado, la modulación continua del mecanismo de palanca desgastará el varillaje si no está lo suficientemente diseñado para evitar dicho desgaste. Este desgaste puede verse amplificado por el efecto de las fuerzas opuestas que ocurren durante la apertura de la válvula y puede crear más presión y desgaste en el punto del fulcro.

Purgadores de balde invertido

Son purgadores de densidad de estilo antiguo que contienen un cilindro invertido similar a una copa (balde invertido) que adquiere flotabilidad en un nivel de líquido cuando se somete a la presión de vapor de un vapor atrapado dentro del flotador. El movimiento del balde dentro del purgador es guiado por un mecanismo de brazo de palanca que está unido tanto al balde como a la parte superior del purgador. La cabeza de la válvula está posicionada en el lado superior del brazo de palanca, entrando en contacto con el asiento de la válvula cuando el balde tiene total flotabilidad. En la parte superior del balde hay un pequeño orificio de ventilación.

Al arrancar, el balde está abajo y la válvula está completamente abierta, permitiendo la descarga de aire. A medida que el condensado entra en el purgador y llena la parte inferior del balde, cualquier aire que quede dentro del balde queda atrapado, lo que hace que el balde gane flotabilidad y cierre la válvula.

El aire incondensable debe ser expulsado del balde pasando a través del diminuto orificio de ventilación, por lo que el venteo de aire generalmente es muy lento. Una vez que el condensado ha desplazado suficiente aire, el balde pierde flotabilidad y cae, permitiendo que el purgador descargue. La válvula permanece abierta mientras el condensado acumulado en la entrada del purgador pasa a través del orificio. Cuando el vapor llega al purgador, se acumula en el balde y le da flotabilidad, cerrando la válvula. Después de que una cierta cantidad de vapor se condensa o pasa por el orificio de ventilación, el balde vuelve a caer y abre la válvula para descargar el condensado. Esta descarga intermitente es indicativa de una operación cíclica.

Los purgadores de balde invertido suelen utilizarse como una opción de bajo precio para aplicaciones de goteo o trazado. Desafortunadamente, no ventilan el aire particularmente bien y no son autodrenantes. Debido a que requieren un cebado de agua para cerrar, están más sujetos a la congelación que otros tipos de purgadores. También pueden perder su cebado si se someten a condiciones de sobrecalentamiento o caídas repentinas de presión de vapor en la entrada.

Los purgadores mecánicos funcionan bien contra la contrapresión. La limitación principal de esta clase de purgadores es su capacidad para sobrevivir a un golpe de ariete severo. Deben instalarse permitiendo que el objeto boyante suba o baje verticalmente con el nivel de agua dentro del purgador para abrir o cerrar la válvula. Generalmente están disponibles en una amplia variedad de tamaños y capacidades. La mayoría de los modelos se ofrecen con una selección de tamaños de orificio para operar en un rango de presión específico.

Purgadores combinados de bomba y flotador

Muchas aplicaciones de proceso o calefacción experimentan un fenómeno dañino conocido como «bloqueo» (stall). Un diseño de purgador mecánico estándar no puede operar y superar un diferencial de presión negativo. Para estas aplicaciones, una combinación de bomba y purgador de flotador totalmente sincronizada, comúnmente denominada «bomba/purgador», mantendrá el drenaje completo de condensado del sistema o equipo.

Cuando la presión del vapor en el equipo es menor que la presión de la línea de retorno, el condensado se acumula en la cámara de la bomba/purgador y es forzado a salir a través del mecanismo del purgador cuando la cámara se presuriza. Cuando la presión en el equipo es mayor que la presión en la línea de retorno, la sección del purgador funciona como un purgador ordinario, y la cámara de la bomba permanece casi vacía. En esta disposición, el mecanismo del purgador debe ser de tipo flotador de doble asiento. Se necesita una alta tasa de flujo instantáneo para permitir la descarga continua de condensado a través del purgador sin restringir la descarga total de la bomba. Idealmente, la parte del purgador debería estar contenida en el cuerpo de la bomba para simplificar la resolución de problemas y el dimensionamiento.

Diseños termodinámicos

Estos purgadores operan bajo el principio de que los cambios en las presiones estáticas y dinámicas causados por los cambios en la velocidad del fluido a través del purgador abrirán o cerrarán la válvula. Cuanto mayor sea la velocidad del fluido, mayor será su presión dinámica y menor su presión estática. En términos generales, el vapor viaja a una velocidad mayor que el líquido, y estos purgadores operan mediante esta diferencia.

Los purgadores de disco termodinámicas típicamente incorporan solo una pieza móvil: el disco de la válvula. Cuando el sistema de vapor está apagado, el disco descansa sobre el asiento. El aire y el condensado frío que fluyen hacia el purgador crean una presión estática de baja velocidad, que levanta el disco del asiento y permite la descarga de los fluidos.

A medida que el condensado se acerca a la temperatura del vapor, parte del condensado se convierte en vapor flash. El vapor flash de mayor velocidad tiene una presión estática más baja; por lo tanto, reduce la presión debajo del disco. El vapor flash entra entonces en la cámara de control, aumentando la presión sobre el disco. La presión reducida debajo del disco y la presión aumentada en la cámara de control se combinan para cerrar el disco de golpe.

La pérdida por radiación desde la parte superior del purgador por encima de la cámara de control condensa gradualmente el vapor y reduce la presión de la cámara. Esto permite que la presión de entrada fuerce la apertura del disco, repitiendo el ciclo.

La mayoría de los purgadores de disco no manejan bien el aire, particularmente durante el arranque. El aire tendrá el mismo efecto que el vapor: reducir la presión debajo del disco y aumentar la presión sobre el disco, cerrándolo de golpe. Debido a que el aire es incondensable, la presión permanece sobre el disco, bloqueando el purgador por aire. Generalmente se aplica un acabado rugoso al lado inferior del disco y a las superficies del asiento para crear un «escape» de aire. Desafortunadamente, este acabado rugoso también resta valor al sellado máximo del vapor.

Un diseño combinado de disco termodinámico y purgador termostático incorpora un elemento termostático de anillo bimetálico que se contrae en presencia de aire o condensado frío para levantar el disco del asiento. Este diseño elimina la necesidad de un acabado rugoso en las superficies del disco/asiento de la válvula, y una superficie de asiento con acabado de espejo promueve un mejor sellado para una mayor eficiencia energética y vida útil. La vida útil del purgador de disco puede extenderse aún más con el uso de una camisa de aire externa, que ralentiza la tasa de radiación de la cámara de control, permitiendo que la presión flash mantenga el disco cerrado por más tiempo. Un cierre más prolongado significa una tasa de ciclo más baja, reduciendo el desgaste del disco y del asiento y prolongando la vida del purgador.

Diseños termostáticos

Estos purgadores operan bajo el principio de que una temperatura descendente abrirá la válvula y una temperatura ascendente la cerrará. El movimiento de la válvula es gobernado por un elemento termostático. La temperatura en este elemento debe bajar un cierto número de grados por debajo de la temperatura de saturación antes de que el condensado pueda ser descargado. En ciertos diseños, la temperatura de control del elemento es constante; en otros, varía con la presión del sistema.

Los purgadores de presión equilibrada están equipadas con elementos térmicos llenos. El llenado es típicamente una mezcla de alcohol/agua con un punto de ebullición inferior al del agua pura. Existen dos variedades comunes de purgadores de presión equilibrada: una cápsula sellada de cuarta generación de última generación y un purgador de fuelle de estilo antiguo de segunda o tercera generación.

El diseño de cápsula sellada tiene una carcasa construida totalmente de acero inoxidable, y la válvula está fijada a uno de varios diafragmas de acero inoxidable o equivalentes a Hastelloy que se superponen entre sí para crear un diafragma duradero pero flexible.

Al arrancar, la mezcla de alcohol/agua en el elemento está en estado líquido, y la cápsula está contraída para permitir que el aire y el condensado frío pasen a través del purgador. A medida que aumenta la temperatura del condensado, el calor se transmite rápidamente a través de la carcasa de la cápsula hacia la mezcla. El condensado comienza a vaporizarse a medida que la temperatura en el purgador se acerca a la temperatura de saturación.

El aumento considerable de volumen generado por la vaporización del líquido eleva la presión de vapor dentro de la cápsula. En algún punto, la presión interna ejercida sobre los diafragmas se vuelve mayor que la presión del sistema a su alrededor, lo que hace que los diafragmas se extiendan en dirección a la válvula y muevan la válvula más cerca del asiento. Antes de que el vapor vivo llegue al purgador, se acumula suficiente presión de vaporización dentro del elemento de la cápsula para cerrar la válvula completamente.

Eventualmente, el condensado en el purgador se enfría como resultado de la radiación del cuerpo del purgador, permitiendo que la presión interna en el elemento disminuya. Cuando se reduce la presión de vapor, los diafragmas se relajan y abren la válvula, permitiendo que el condensado se descargue nuevamente, y el ciclo se repite.

Las carcasas superior e inferior, con los diafragmas intercalados entre ellas, se sueldan entre si para producir una construcción fuerte y ligera que es altamente resistente al golpe de ariete o a los efectos del sobrecalentamiento. La forma de los diafragmas debe estar contorneada para coincidir con la forma de la carcasa inferior para dar la máxima protección contra la sobreextensión en caso de que el elemento se exponga a temperaturas excesivas. El uso de más diafragmas y materiales equivalentes a Hastelloy en lugar de acero inoxidable maximiza la vida útil del diafragma.

El elemento de fuelle de estilo antiguo es cilíndrico y tiene una pared de metal corrugado delgada hecha de un material altamente conductor para una transferencia de calor rápida hacia adentro y hacia afuera del fuelle. La válvula está unida a un extremo del elemento, y el otro extremo del elemento está fijado a la carcasa del purgador. El funcionamiento del elemento de fuelle es similar al del diseño de cápsula: un aumento en la presión de vapor interna expandirá el fuelle para cerrar la válvula, y una reducción en la presión de vapor contraerá el fuelle y abrirá la válvula.

El elemento de presión equilibrada se ajusta automáticamente a los cambios en la presión del vapor porque el cambio asociado en la temperatura del condensado genera la presión de vapor respectiva en el elemento necesaria para cerrar el purgador. Desafortunadamente, el diseño de pared delgada y el volumen proporcionalmente grande del elemento de estilo fuelle lo hacen menos efectivo contra condiciones severas que los diseños de cápsula sellada. Los purgadores termostáticos de fuelle son susceptibles a daños por fatiga o golpe de ariete, y la exposición al vapor sobrecalentado puede provocar la sobreexpansión del elemento, causando daños permanentes.

Los purgadores bimetálicos incorporan una o más tiras o discos que consisten en dos metales compatibles, pero diferentes, con diferentes tasas de expansión térmica unidos entre sí. Cuando el elemento bimetálico se calienta, el material con el coeficiente de expansión térmica más alto se expande más rápido que el otro, haciendo que el elemento se doble. Cuando el elemento se enfría, vuelve a su estado normal.

Al restringir el elemento dentro del cuerpo de un purgador, las fuerzas generadas durante el calentamiento y enfriamiento pueden usarse para abrir y cerrar una válvula. El funcionamiento del purgador bimetálico y la esperanza de vida subsiguiente se basan en gran medida en si el diseño del purgador utiliza una construcción de cabeza de válvula aguas abajo o aguas arriba.

El funcionamiento del purgador bimetálico con diseño de cabeza de válvula aguas arriba se basa tanto en la deflexión del elemento bimetálico con la temperatura cambiante como en los efectos de «succión» termodinámica creados por la descarga de condensado. El elemento está compuesto por una pila de discos bimetálicos opuestos para proporcionar el máximo recorrido de la cabeza. El rango de temperatura de apertura/cierre del purgador se puede cambiar girando un tornillo de ajuste externo en la parte superior del purgador. Para este diseño, los cambios de temperatura en el elemento producen fuerzas de apertura/cierre. El efecto de la contrapresión en este purgador es mínimo, por lo que no hay fuerzas opuestas significativas que creen tensiones en los bimetales.

En los diseños de cabeza de válvula aguas abajo, la válvula está en el lado de descarga del asiento de la válvula, conectada al elemento bimetálico por un vástago que pasa a través del orificio. Cuando el condensado caliente entra en el purgador, el elemento se dobla alejándose del orificio, tirando de la cabeza de la válvula hacia el asiento. A una temperatura particular, la fuerza ejercida por el elemento es suficiente para cerrar la válvula.

Dichos purgadores bimetálicos están diseñadas para trabajar a temperaturas subenfriadas; por lo tanto, habrá una cantidad apreciable de condensado presente antes del purgador durante la operación, dependiendo de las condiciones operativas y la temperatura establecida del purgador. Estos purgadores proporcionan excelentes resultados en proyectos de alto uso de energía o en situaciones en las que se necesita control de temperatura.

Otras consideraciones de selección

También deben considerarse otros aspectos de la selección de purgadores: la aplicación, la presión/temperatura de diseño y operación, la capacidad requerida con factor de seguridad y la orientación de la tubería, por nombrar algunos. Además, probablemente se debería instalar una válvula de retención de buena calidad después de cualquier purgador que tenga el potencial de contrapresión.