Purgadores de vapor. Tipos y aplicaciones

Vamos a explicar qué son los purgadores de vapor, los tipos que existen y sus aplicaciones. Esta ha sido su evolución en la historia, desde la primera mitad del siglo XIX hasta nuestros días.

¿Qué son los purgadores de vapor?

Los purgadores de vapor son un tipo de válvula automática que deja pasar el condensado (es decir, el vapor condensado) y los gases no condensables, como el aire, sin dejar escapar el vapor. En la industria, el vapor se usa regularmente para calentar o como fuerza impulsora de energía mecánica. Los purgadores de vapor se utilizan en tales aplicaciones para garantizar que no se desperdicie vapor.

ANSI define los purgadores de vapor de la siguiente manera:

Purgador de vapor: válvula autónoma que drena automáticamente el condensado de un recinto que contiene vapor mientras permanece hermético al vapor vivo o, si es necesario, permite que el vapor fluya a una velocidad controlada o ajustada. La mayoría de los purgadores de vapor también dejarán pasar gases no condensables mientras permanecen estancos al vapor vivo. (ANSI/FCI 69-1-1989)

¿Por qué se instalan los purgadores de vapor?

El vapor se forma cuando el agua se vaporiza para formar un gas. Para que ocurra el proceso de vaporización, las moléculas de agua deben recibir suficiente energía para que se rompan los enlaces entre las moléculas (enlaces de hidrógeno, etc.). Esta energía necesaria para convertir un líquido en gas se llama ‘calor latente’.

Los procesos de calentamiento a base de vapor utilizan el calor latente y lo transfieren a un producto determinado. Cuando se realiza el trabajo (es decir, el vapor ha cedido su calor latente), el vapor se condensa y se convierte en condensado. En otras palabras, el condensado no tiene la capacidad de hacer el trabajo que hace el vapor. Por lo tanto, la eficiencia de la calefacción se verá afectada si el condensado no se elimina lo más rápido posible, ya sea en las tuberías de transporte de vapor o en un intercambiador de calor.

¿Qué tiene de malo usar una válvula manual?

A veces se cree que la carga de condensado se puede regular con una válvula manual en lugar de un purgador de vapor, simplemente ajustando manualmente la apertura de la válvula para que coincida con la cantidad de condensado generado.

Teóricamente, esto es posible. Sin embargo, la gama de condiciones necesarias para lograr esto es tan limitada que en la práctica no es una solución realista.

El mayor problema con este método es que tener la apertura de la válvula configurada para descargar una cantidad fija de fluido significa que las fluctuaciones en la carga de condensado no pueden compensarse. De hecho, la cantidad de condensado generado en un sistema dado no es fija. En el caso de los equipos de calentamiento, la carga de condensado en el arranque es muy superior a la que tienen durante el funcionamiento normal. Las fluctuaciones en la carga del producto también resultan en diferencias en la cantidad de condensado generado. De manera similar, en el caso de las tuberías de vapor, la carga de condensado puede diferir dependiendo de la temperatura del aire exterior o como resultado de fuertes lluvias o nieve.

Si el dispositivo no puede responder a las fluctuaciones en la carga de condensado, el condensado que debería descargarse se acumulará dentro del equipo/tubería y la eficiencia de calefacción se verá afectada. Por otro lado, cuando la carga de condensado disminuye, se producirán fugas de vapor y se desperdiciará vapor.

Los purgadores de vapor se presentan con varios mecanismos diferentes

Se han desarrollado varios tipos de mecanismos de purgadores de vapor (principios de funcionamiento) para descargar automáticamente los condensados ​​y los gases no condensables. Los mecanismos más utilizados son los que se basan en diferencias de temperatura, densidad y presión. Cada uno de estos tipos de purgadores de vapor tiene sus propias ventajas y aplicaciones.

Historia de los purgadores de vapor: primera parte, los orígenes

La humanidad comenzó a utilizar el vapor en la industria después de la Revolución Industrial en el siglo XVIII. Inicialmente el vapor se utilizaba como fuente motriz, para accionar bombas, locomotoras y similares.

Después de un tiempo, el uso del vapor como fuente motriz disminuyó y, en cambio, el vapor comenzó a usarse más ampliamente como fuente de calor.

Como hemos dicho, una característica del vapor es que se condensa y se convierte en condensado cuando cede su calor. Al principio, el condensado se eliminaba abriendo periódicamente una válvula para expulsar el condensado o dejando una válvula ligeramente abierta en todo momento para descargar el condensado y pero al mismo tiempo dejaba escapar vapor 

Eliminar el condensado operando manualmente una válvula no solo es muy molesto, sino que también genera fugas de vapor. A medida que crecía el número de aplicaciones que utilizan vapor, se desarrolló una válvula para eliminar automáticamente el condensado, y este fue el nacimiento de los purgadores de vapor.

El primer purgador de vapor que apareció fue un purgador de vapor tipo cubeta, desarrollado en la primera mitad del siglo XIX. Los tipos desarrollados posteriormente fueron un tipo de expansión metálica en la década de 1860, luego un tipo de impulso un poco más tarde en la década de 1930 y, finalmente, en la década de 1940 se desarrolló el tipo de disco con el que todos estamos familiarizados. La tecnología más reciente es el purgador de flotador libre (Free Float®), que se introdujo en 1966. A continuación se muestran secciones y una breve descripción del funcionamiento de cada tipo de purgador de vapor.

Las ilustraciones muestran las versiones actuales de cada tipo de purgador.

Hacia 1800: Tipo de cubeta invertida actual

Por medio de la flotabilidad de la cubeta cilíndrica, la válvula en la parte superior se abre y se cierra para descargar intermitentemente el condensado. A diferencia del purgador que se muestra en la ilustración (tipo de cubeta invertida), en los primeros purgadores de vapor de tipo cubeta, la parte superior de la «cubeta» estaba abierta (tipo de cubeta abierta).

1860: Tipo bimetálico actual

Al principio se utilizaba una varilla metálica recta que podía expandirse cuando la temperatura aumentaba, cerrando la válvula situada al final de la varilla. Este tipo de purgador ya no se utiliza en la actualidad, habiendo sido sustituidos por purgadores de tipo bimetálico.

Dos tipos de metal con diferentes coeficientes de dilatación se combinan en un elemento bimetálico. Cuando la temperatura ambiente fluctúa, la forma del elemento bimetálico cambia, controlando la apertura y cierre de la válvula y la descarga de condensado.

Hacia 1930 Tipo impulso

Desde el exterior, el tornillo de ajuste se usa para establecer la cantidad de vapor que fluye a través de la brida de la válvula de pistón y la cantidad de vapor que sale del orificio hacia abajo a través del centro de la válvula de pistón. El movimiento hacia arriba y hacia abajo de la válvula de pistón abre y cierra la apertura de la válvula, descargando condensado intermitentemente.

Hacia 1940 Tipo disco

Las fluctuaciones de presión en la cámara por encima de la válvula de disco dan como resultado la apertura y el cierre de la válvula de disco.

1966 – Tipo flotador libre (Free Float)

El condensado se descarga continuamente mientras que el tamaño de la abertura de la válvula se controla en todo momento por la cantidad de fuerza de flotación que actúa sobre el flotador de sellado hermético. Los flotadores originales estaban unidos a una palanca, pero los flotadores modernos son esféricos y el propio flotador actúa como válvula.

Características requeridas en los purgadores de vapor

Como hemos visto, a lo largo de los años se han desarrollado muchos tipos diferentes de purgadores de vapor. Cada uno de los tipos que hemos mencionado en este artículo todavía está en uso hoy.

En la actualidad, se considera imprescindible que un purgador, como un tipo de válvula automática, tenga las siguientes 3 características:

1. Descarga el condensado de forma inmediata y completa.
2. No pierde vapor incluso cuando se usa durante largos períodos de tiempo
3. También puede descargar gases no condensables como el aire.

Dependiendo del tipo (principio de operación, construcción) del purgador de vapor, estas características tienen sus fortalezas y debilidades relativas. Además, los modos de operación varían entre los diferentes tipos—hay tipos que descargan condensado continuamente y tipos que descargan condensado intermitentemente. La combinación de estos le da a cada tipo de purgador de vapor sus características especiales.

Historia de los purgadores de vapor: segunda parte, la evolución

En la primera parte de este artículo hemos presentado la aparición de varios tipos diferentes de purgadores de vapor a lo largo de la historia de los purgadores. El primero de ellos fue el purgador de vapor de cubeta, que utiliza un principio de funcionamiento mecánico basado en la flotabilidad. Después del purgador de cubeta vino el purgador bimetálico termostático, cuyo funcionamiento se basa en las diferencias de temperatura del fluido, pues el condensado siempre está ligeramente más frío que el vapor. A esto le siguió la aparición del purgador termodinámico o de disco, cuyo principio de funcionamiento se basa en el cambio de fase vapor -> condensado y la ley de conservación de la energía. A partir de aquí, discutiremos qué tipos de purgador de vapor de cada categoría principal se usan ampliamente en la actualidad y las razones de su popularidad.

Cambios en los purgadores mecánicos

Entre los purgadores de vapor mecánicos, que tienen la historia más larga de todos los tipos de purgadores, el primero que se desarrolló fue el purgador de vapor de cubeta, que es relativamente simple de producir industrialmente. En los purgadores de vapor de cubeta más utilizados al principio, la cubeta miraba hacia arriba (‘cubeta abierta’) y no tenía una palanca adjunta para controlar la apertura y el cierre de la válvula.

La mayoría eran purgadores grandes en los que la propia cubeta flotaba hacia arriba o hacia abajo para abrir y cerrar la válvula. Sin embargo, este tipo de purgador pronto cayó en desuso. Por el contrario, se utilizó más ampliamente un tipo de purgador de cubeta en el que la cubeta estaba unida a una palanca. Este tipo más compacto de purgador de cubeta, en el que la cubeta mira hacia abajo (“cubeta invertida’), todavía se usa en la actualidad.

Los purgadores de flotador contienen un dispositivo de flotabilidad herméticamente sellado (boya o flotador), pero la aparición del purgador de flotador tuvo que esperar hasta que se desarrolló la tecnología necesaria para fabricar los flotadores. Esto sucedió en los años posteriores a la aparición del purgador tipo cubeta. Dado que en un purgador de vapor de flotador el condensado se descarga continuamente, sin dejar que nada se acumule en el equipo que usa el vapor, y la vida útil de un purgador de vapor de flotador es relativamente larga, este tipo de purgador de vapor es el que con mayor frecuencia se usa hoy en día en equipos que requieren una gran capacidad de descarga. 

Cambios en los purgadores termostáticos

Debido a la necesidad de albergar un dispositivo de flotabilidad y proporcionar espacio suficiente para que funcione dentro del cuerpo, los purgadores mecánicos tienden a ser bastante grandes. El purgador termostático fue desarrollado en respuesta a la necesidad de disponer de un purgador de vapor más compacto.

El purgador de vapor termostático contiene un mecanismo sensor de temperatura. A veces son operados por un fuelle o un anillo bimetálico, pero sea cual sea el mecanismo, todos tienen una respuesta muy lenta. Esta respuesta lenta los hace inadecuados para su uso en procesos de calentamiento que requieren una descarga rápida de condensado. 

Por esta razón, el purgador de tipo termostático que más se usa hoy en día es un purgador de control de temperatura de tipo bimetálico diseñado para instalaciones de traceado, que permite establecer la temperatura de descarga del condensado. En respuesta a los inconvenientes de la respuesta lenta del purgador termostático, se desarrolló un purgador del tipo de presión balanceada cuyo principio de operación utiliza la expansión y contracción de un termolíquido encapsulado.

Cambios en los purgadores termodinámicos

Para superar las limitaciones del purgador termostático, que aunque compacto tiene una respuesta problemáticamente lenta, se desarrolló el purgador termodinámico para satisfacer la necesidad de una purgador que permita que se acumule la menor cantidad posible de condensado.

Sin embargo, el tipo de impulso, que era muy común al principio, tenía grandes pérdidas de vapor, por lo que el tipo de disco desarrollado después de eso es el tipo que se generalizó. Este purgador tipo disco, que no solo es compacto y versátil, sino que también tiene la ventaja de tener un costo inicial relativamente económico, es el tipo de purgador que se ha utilizado en mayor número en la historia de los purgadores de vapor. 

La continua evolución de los purgadores modernos

Los tres tipos de purgadores de vapor discutidos anteriormente todavía están en uso hoy en día tal como se describe, pero ¿qué tipo de evolución están experimentando estos purgadores de vapor modernos? La evolución de cada tipo de purgador se centra en mejorar aún más las características especiales de cada tipo de purgador en particular.

Por ejemplo, muchos de los purgadores que se usan hoy en día cuentan con un venteo de aire automático para descargar automáticamente el aire inicial en el arranque. Esta característica logra el objetivo de reducir tanto los tiempos de puesta en marcha como la mano de obra involucrada en la operación de la válvula. También existen modelos de purgadores para uso en equipos que están equipados con purgadores de aire automáticos de alto rendimiento para eliminar el aire caliente durante la operación.

Desde el punto de vista de la facilidad de uso, también se ha desarrollado un modelo que cuenta con una función de eliminación de incrustaciones que permite eliminar los atascos sin necesidad de desmontarlo. Esta función ha hecho posible eliminar las obstrucciones y restablecer el funcionamiento normal en ese mismo momento, ya que las obstrucciones se encuentran en el curso de las inspecciones diarias, en lugar de tener que programar reparaciones de desmontaje posteriores o reemplazos de purgadores.

De esta manera, los purgadores de vapor evolucionan continuamente de maneras que están ocultas a la vista.

Función de ventilación de aire automática

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