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Aug 05, 2023

Cómo prevenir la condensación

Golpe de ariete inducido por condensación (CIWH) es el término comúnmente utilizado cuando

El golpe de ariete inducido por condensación (CIWH) es el término comúnmente utilizado para describir una variedad de transitorios que ocurren cuando el agua fría condensa rápidamente el vapor de agua. Este artículo describe los diversos tipos y causas de CIWH, explica cómo estimar las velocidades y presiones involucradas y brinda a los lectores soluciones que pueden usarse para prevenirlo.

El vapor y el agua líquida en una tubería no siempre funcionan bien juntos. Las situaciones en las que se ponen en contacto inesperadamente pueden ser volátiles. Un transitorio hidráulico es un evento a corto plazo iniciado por un cambio rápido en la velocidad o la presión del flujo de la tubería. El evento genera pulsos de presión que viajan como ondas río abajo y río arriba desde su punto de origen. Los pulsos impactan y se reflejan en las obstrucciones a medida que viajan a través de la tubería. Esto produce un ruido de martilleo y movimientos de tubería similares a patadas. El término "golpe de ariete" se usa genéricamente cuando se hace referencia a estos transitorios, incluso cuando están involucrados otros líquidos y gases.

El vapor de agua es vapor húmedo. Si agrega calor a una cantidad de agua en el punto de ebullición, comenzará a cambiar (vaporizarse) de líquido a vapor. Si continúa agregando calor, el líquido y el vapor permanecerán a la misma temperatura hasta que todo el líquido se convierta en vapor. Esto se conoce como estar en condiciones de saturación. Se dice que una tubería que transporta gas y agua líquida al mismo tiempo contiene un flujo de dos fases.

Si el agua saturada caliente en una tubería experimenta una disminución de la presión, comenzará a vaporizarse. Se formarán pequeñas burbujas de vapor. Estas burbujas son flotantes, por lo que tienden a elevarse y acumularse en bolsas en los puntos altos. También se pueden crear cavidades si la geometría de la tubería aísla una cantidad de vapor durante una recarga o apagado del sistema. Por ejemplo, el vapor puede quedar atrapado en una curva en U vertical si ambos elevadores se bloquean con agua al llenar.

Se dice que un líquido está subenfriado si está a una temperatura por debajo de la temperatura de saturación para una presión dada. Si una bolsa de vapor entra en contacto con un líquido subenfriado, comenzará a condensarse en el límite vapor/líquido. La tasa de condensación aumenta a medida que aumenta la diferencia de temperatura. Cuando la diferencia de temperatura es mayor que aproximadamente 35F, todo el vapor se condensará repentinamente. El vapor ocupa mucho más espacio que un líquido; por lo tanto, se crea un vacío de baja presión. El agua que rodea la bolsa acelerará hacia el vacío. Esta implosión ocurre en una fracción de segundo. La velocidad (VI, pies/seg) del agua que avanza justo antes del impacto se reduce a cero en el momento del impacto y se puede calcular como se muestra en la Ecuación 1:

VI = ∆V = √((( 288 gc ( PU – PD )) / ρ ) ( α / ( 1 – α )))

donde α es la fracción vacía (conservadoramente alrededor de 0,5); gc es la constante gravitatoria (32,2 ft-lbm/sec2-lbf); y ρ es la densidad del fluido (lbm/ft3). La presión en una bolsa de vapor (PD) es la presión de vapor correspondiente a la temperatura del agua circundante. Debido a que la distancia recorrida es muy pequeña, la fricción tiene un efecto mínimo y se desprecia.

El cambio brusco de velocidad genera un pulso de presión de golpe de ariete. La velocidad del pulso a medida que viaja a través de la tubería es la velocidad acústica (sónica) (c, pies/seg), y se puede calcular usando la Ecuación 2:

c = √(( 144 gc GRAMO / ρ ) / ( 1 + ( GRAMO / E ) φ ))

donde G es el módulo aparente de compresibilidad del líquido (psi); E es el módulo de elasticidad de la tubería (psi); φ es un parámetro de condición límite de la tubería, que para un tubo de pared delgada fijo en ambos extremos es D/t; donde D es el diámetro interior de la tubería (pulg.); y t es el espesor de la tubería (pulg.). El arrastre de aire reduciría la velocidad.

El pulso de presión máxima teórica (∆P, psi) se puede encontrar utilizando la conocida ecuación de golpe de ariete "Joukowski", que se muestra aquí como Ecuación 3:

∆P = k (( ρ c ∆V ) / ( 144 gc ))

donde la variable k es 1.0, si el colapso de la bolsa de vapor ocurre junto a una superficie dura como un extremo de tubería o una válvula cerrada, de lo contrario, k = 0.5. Tenga en cuenta que ΔP no es la presión total, sino el aumento o disminución de la presión de estado estable que existía antes del transitorio.

Cuando hay un flujo bifásico estratificado en una tubería horizontal, el nivel del agua en la tubería aumentará debido a la condensación en la interfase vapor/agua. Esto disminuye el área de la sección transversal de la tubería ocupada por el vapor, lo que aumenta su velocidad. Cuando la diferencia de velocidad es lo suficientemente grande, habrá una transición de flujo estratificado a flujo lento. Las ondas superficiales se formarán y se moverán a mayor velocidad que el líquido. Las olas se vuelven más grandes a medida que el flujo se vuelve más turbulento. Si una ola de superficie grande bloquea el área de la sección transversal de las tuberías, el vapor que ingresa a la tubería ejercerá presión en el lado de aguas arriba de la ola, lo que la impulsará hacia abajo de la tubería como una gota de agua.

El número de Froude (Fr) es un parámetro típicamente utilizado para evaluar la formación de ondas de gravedad en el flujo de canales abiertos. Los estudios han encontrado que existe una velocidad mínima (VMIN) por encima de la cual no ocurrirá una transición de flujo bifásico estratificado a flujo lento. Este caudal corresponde a un número de Froude de 0,5. La práctica de la industria es utilizar de forma conservadora un número de Froude de 1,0 al dimensionar la tubería, para proporcionar un margen de diseño. VMIN se puede calcular usando la Ecuación 4:

VMIN = Fr √( gc D / 12 )

Cuando una gota de agua golpea algo en su camino, se genera un pulso de presión de golpe de ariete. Despreciando la fricción, la velocidad del impacto se calcula usando la Ecuación 5:

VI = ∆V = √((( 288 gc ( PU – PD )) / ρ ) ( LV / LS ))

donde PU es la presión de vapor aguas arriba (psi); PD es la presión de vacío aguas abajo (psi); LS es la longitud del slug (ft); y LV es la longitud del espacio de vapor (ft).

El pulso de presión en el impacto (∆P) se puede encontrar usando la Ecuación 3 con k = 1.0. La fuerza de impacto de la babosa (FS, lbf) es principalmente una función del impulso de la babosa, que se muestra en la Ecuación 6:

FS = ( AP ( ρ VI2 )) / gc

donde AP es el área de flujo interno de la tubería (ft2). Para incluir los efectos dinámicos del impacto, se utiliza con frecuencia para el diseño un factor de carga dinámica conservador (DLF) igual a 2X. Este factor representa la relación entre el esfuerzo de una carga aplicada rápidamente y el esfuerzo que habría ocurrido si la carga se hubiera aplicado lentamente.

Los eventos transitorios hidráulicos en las plantas de energía fueron ampliamente estudiados por el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) en la década de 1970 hasta la década de 1990. Gran parte del material presentado en este artículo se basa en el "Manual de golpes de ariete para ingenieros y operadores de plantas nucleares" de EPRI, TR-106438, que se publicó en 1996 y puede descargarse del sitio web de EPRI en: www.epri.com. El estudio identificó y definió los siguientes cuatro mecanismos básicos de CIWH.

Mecanismo 1: descarga de vapor en agua subenfriada. Si una línea de vapor descarga bajo el agua y el flujo de vapor se detiene cerrando una válvula aguas arriba, una bolsa de vapor quedará atrapada en la tubería (Figura 1). El agua a la salida de la tubería comenzará a enfriarse, porque el vapor ya no la calienta. El contacto con agua subenfriada hará que la bolsa de vapor se condense rápidamente. La zona de baja presión creada por la implosión hace que la columna de agua suba por la tubería y golpee la válvula cerrada a alta velocidad. Se emite un pulso de presión de golpe de ariete en el impacto. No sorprende que este mecanismo CIWH se denomine cañón de agua.

La altura diferencial a través de la columna de agua (∆H, pies) se encuentra usando la Ecuación 7:

∆H = Ha + x0 – PVH

donde x0 es la profundidad de emersión de la tubería (pies); Ha es la cabeza de presión en la superficie del agua; y HVP es la presión en la bolsa de vapor.

La velocidad de la columna de agua (VO, ft/seg) se encuentra usando la Ecuación 8:

VO = ∆V = √((2 gc ∆H ) / KTotal )

donde KTotal es la suma de los coeficientes de pérdida del componente "Darcy-Weisbach" más (f L) / D. Donde, f es el factor de fricción de la tubería, L es la distancia desde la válvula hasta la salida de la tubería y D es el diámetro interior de la tubería .

La velocidad de impacto (VI) se puede encontrar en base a la Ecuación 9, que es una curva empírica ajustada a los datos del manual de EPRI:

VI = VO (( 0,0097 L / ∆H – 0,438) KTotal2 + ( –0,161 L / ∆H + 1,18) KTotal – 0,061 L / ∆H + 1,056)

El pulso de presión de impacto (∆P) se puede encontrar usando la Ecuación 3 con k = 1.0.

Para evitar los transitorios del Mecanismo 1:

Mecanismo 2—Vapor estratificado y contraflujo de agua en una tubería horizontal. Este mecanismo CIWH ocurre en tuberías horizontales que contienen flujo bifásico. La figura 2 muestra un ejemplo en el que se utiliza una tubería para suministrar agua subenfriada a un recipiente de vapor. Inicialmente, la tubería está llena de vapor. Cuando se abre la válvula de llenado, la tubería comienza a llenarse de agua de abajo hacia arriba. Las secciones de tuberías verticales se llenarán de agua; sin embargo, las secciones de tubería horizontal tendrán un flujo de dos fases con agua descansando sobre la superficie inferior de la tubería mientras que el vapor ocupa el espacio sobre el agua.

El vapor en contacto con el agua se condensará, lo que provocará que ingrese más vapor a la tubería, aumentando la condensación y los caudales de vapor. Esto inicia un patrón de contraflujo entre el vapor y el agua, y una transición a condiciones de flujo lento. Una gran ola superficial que llene la sección transversal de la tubería creará una bolsa de vapor en su lado aguas abajo. La ola es empujada río abajo por la presión del vapor. La bolsa de vapor comprimido colapsa cuando entra en contacto con agua subenfriada. La implosión crea un pulso de presión de golpe de ariete y un gran diferencial de presión a lo largo de la ola lo acelera a lo largo de la tubería como un golpe de agua. Cuando la bala golpea un cambio de dirección o una obstrucción del flujo, el impacto crea otro gran pulso de presión.

Un transitorio del mecanismo 2 no puede ocurrir si la tubería corre llena de agua. El caudal másico mínimo (m, lbm/seg) para funcionar lleno de agua se puede encontrar utilizando el criterio que se muestra en la Ecuación 10, que se basa en un número de Froude de 0,5:

m ≥ 2,227 ρ D2,5

Además, las pruebas del modelo de flujo han demostrado que las condiciones de contraflujo estratificado no se formarán a caudales bajos, donde el caudal másico durante un llenado de agua cumple con los criterios de la Ecuación 11:

m ≤ C D2 e–0.005 (LH/D)

donde LH es la longitud horizontal de la tubería (pies); y C es un coeficiente que es una función del diámetro de la tubería (1,5 a 36 pulgadas) dado por la Ecuación 12:

C = –0,00001745 D4 + 0,0001736 D3 – 0,06152 D2 + 0,9425 D + 4,280

El CIWH de contraflujo tiene el potencial de producir fuerzas transitorias muy dañinas. Los problemas ocurren con mayor frecuencia durante el inicio. Las líneas de retorno de condensado y los sistemas de rociado del atemperador de vapor son especialmente susceptibles.

Para prevenir los transitorios del Mecanismo 2:

Mecanismo 3: agua a presión que ingresa a una tubería vertical llena de vapor. Este mecanismo CIWH ocurre en tuberías verticales llenas de vapor o tuberías horizontales inclinadas más de 3 grados (que actúan como una tubería vertical). Al poner un sistema fuera de servicio, el vapor puede quedar en los bolsillos. El agua saturada también puede filtrarse a través de las válvulas de cierre donde podría convertirse en vapor en el lado de baja presión y formar bolsas de vapor.

Si bien la condensación desempeña un papel, el factor principal que contribuye a la gravedad de un transitorio del Mecanismo 3 es la inercia y la presión del agua que llena la tubería, y si el agua ingresa a la tubería vertical desde la parte inferior o desde la parte superior.

Relleno superior. A medida que el agua subenfriada entra en contacto con la bolsa de vapor, se formarán burbujas de vapor en el agua. Si la tubería se llena lentamente, el agua fluirá principalmente por las paredes verticales de la tubería (flujo de película anular) dando a las burbujas la oportunidad de subir al centro de la tubería y escapar. Sin embargo, si la tasa de llenado de agua es más rápida que la velocidad de ascenso de las burbujas, las burbujas de vapor quedarán atrapadas y se condensarán y colapsarán bajo la presión ejercida por el agua que ingresa. Las burbujas de vapor que colapsan son mucho más pequeñas que una bolsa de vapor que colapsa, por lo que los pulsos de presión de golpe de ariete resultantes se consideran moderados y no severos (Figura 3).

La velocidad máxima de llenado seguro (VF, ft/seg) para flujo anular en una tubería vertical se puede calcular usando la Ecuación 13:

VF = 0.67 √((( ρf – ρg ) / ρf ) (( gc D ) / 12 ))

donde, ρf y ρg son las densidades en condiciones de saturación para las fases líquida y gaseosa, respectivamente. Tenga en cuenta que cuando las presiones son bajas, la densidad del gas es cercana a cero, por lo que los términos de densidad pueden despreciarse. También tenga en cuenta que si la tubería está inclinada más de 15 grados con respecto a la vertical, el patrón de flujo anular se modifica. Las burbujas de vapor se acumularán a lo largo de la parte superior de la sección transversal de la tubería y su velocidad de ascenso aumentará, por lo tanto, la velocidad de llenado seguro debe aumentarse por un factor de √2.

Relleno inferior. Al llenar el sistema desde el fondo, el frente de la columna de agua se volverá turbulento a medida que comprime y condensa la bolsa de vapor. El bolsillo implosionará, creando una zona de baja presión, que acelera la columna de agua hacia arriba. Se genera un gran pulso de presión cuando el frente de la columna de agua golpea la válvula de vapor cerrada (Figura 4).

Para prevenir los transitorios del Mecanismo 3:

Mecanismo 4: agua caliente que ingresa a una tubería de baja presión. La Figura 5 muestra un recipiente de agua a presión con una tubería de descarga cerrada. La tubería de descarga contiene agua estancada que se enfriará con el tiempo. Cuando la válvula se vuelve a abrir, el agua subenfriada sale rápidamente a través de la válvula sin problemas. Sin embargo, cuando el agua a mayor temperatura pasa a través de la válvula hacia el lado de baja presión, se convertirá en vapor y el flujo se "ahogará". Cuando el flujo se obstruye, el flujo másico (tasa de flujo másico) a través de la válvula es limitado. El cambio abrupto en el flujo másico de agua subenfriada a flujo bifásico caliente crea un gran cambio de velocidad que genera una onda de choque de golpe de ariete y turbulencia en la válvula (Figura 5).

En cualquier punto donde la presión del agua caiga por debajo de la presión del vapor, el agua se convertirá en vapor. El agua intermitente llena la tubería con burbujas de vapor, que pueden acumularse en una bolsa de vapor, lo que genera un golpe de ariete cuando el vapor se condensa repentinamente.

Los drenajes del calentador al condensador son susceptibles a este mecanismo CIWH. Las válvulas de rociado del atemperador con fugas y las fallas en las trampas de vapor son causas típicas de que el condensado caliente se convierta en vapor.

Para prevenir los transitorios del Mecanismo 4:

Además de los eventos de interacción de condensado y vapor, existen otros tipos y causas de transitorios de golpe de ariete, que no se analizan aquí. El golpe de ariete inducido por los tapones de agua se produce cuando los charcos de condensado en la tubería se convierten en tapones cuando se abren las válvulas de aislamiento de vapor y el agua queda atrapada en el vapor. El funcionamiento rápido de la bomba o la válvula creará transitorios. La separación de la columna de agua crea un vacío, que también dará como resultado un golpe de ariete cuando las condiciones hagan que las columnas de agua se vuelvan a unir.

Estos transitorios se pueden modelar y analizar usando software comercial convencional para el modelado de flujo comprimible e incompresible usando el "método de las características". La mayoría del software de golpe de ariete no es capaz de modelar eventos CIWH de flujo bifásico. Consulte la referencia de EPRI mencionada anteriormente para obtener más detalles. ■

—Michael F. Czyszczewski, PE([email protected]) es un consultor de ingeniería mecánica con 45 años de experiencia en diseño en la industria energética.

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