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4. Termocompresores
- 1. Termocompresores Diseño , Operación y Consideraciones Energéticas 1
- 2. Componentes del Termocompresor Entrada de Actuador Vapor Motriz Descarga de Vapor Motriz Mezcla acelara para alta velocidad Expande para la descarga a la presión Entrada de deseada Vapor de Succión
- 3. Ecuación de Bernoulli ( ) ( ) P 1 + 1 ρ V 1 2 = P 2 + 1 ρV 2 2 2 2 P = Presión Estática V = Velocidad 1 ρV12 = Presión de Velocidad 2 Como la presión es reducida, la velocidad debe aumentar Vapor motriz expande de la aguja para alta velocidad Como la presión es reducida la velocidad debe aumentar Velocidad es reducida en el difusor para descarga, la presión es mayor
- 4. ¿Cómo trabaja? Vapor motriz Baja Velocidad Cámara de expansión Velocidad cae Presión descarga Baja Velocidad 30 mps Jacto motriz Velocidad muy alta Cámara de mezcla Alta Velocidad Vapor de Succión Baja Velocidad Perfil de Velocidad
- 5. Razones de Diseño Pm = Presión Motriz Mm = Flujo Motriz Razón de Expansión = PM ≥ 1.4 PS Razón de Compresión = PD ≤ 2 PS Razón de consumo = MS Ps = Presión Succión MM Ms = Flujo Succión P = Presión Absoluta Pd = Presión de Descarga Md = Flujo de Descarga = Ms + Md
- 6. Razon de Consumo Flujo de Masa Vapor de Succión Razón de Consumo = MS = MM Flujo de Masa Vapor Motriz • Medir eficiencia del Termocompresor – Queremos minimizar la cantidad de vapor de alta presión necesaria • La Razón de Consumo depende de: – Presión de Vapor Motriz – Razón de compresión necesaria – Diseño del Termocompresor • Geometria de la aguja y la garganta (crítica para la eficiencia del diseño) • Tamaño de la garganta (superdimensionada es malo)
- 7. Aplicación en Secado de Papel 7
- 8. Aplicación en Secado de Papel • Debe operar sobre el rango de operación de los secadores – Límites de alta presión y baja presión son establecidos por el diseño del termocompresor – Previsión precisa y requerida de la presión de los secadores • Características del sifón, definiendo el proyecto del Termocompresor – Flujo de Vapor de Arraste (Suction Flow) es definido por el sifón, condensación, presión del secador y diferencial de presión – El diferencial de presión es dictado por el tipo de sifón y velocidad de la máquina
- 9. Diseño del Termocompresor • Diámetro de la Aguja es determinado por el punto de la máxima presión de operación – Altas presiones = baja razón de expansión = más vapor motriz requerido • Diámetro de la Garganta es determinado por el punto de la menor presión de operación – Volumen específico es grande a bajas presiones – Flujo de Succión es determinado por los sifones – Diferencial de presión + pérdidas en la línea determinan la presión de descarga y velocidad
- 10. “Sobre el Top” • Termocompresores no son normalmente proyectados para un punto de operación en las aplicaciones de secado de papel – Diámetro de la garganta es normalmente determinado por el punto de menor presión de operación • Garganta es “superdimensionada” para operación a alta presión • Diámetro de la Aguja es determinado por el punto de mayor presión de operación • Aguja es “superdimensionada” para operación a baja presión • En la baja presión de operación es posible que el termocompresor “abra mucho” – Exceso de vapor motriz causa pérdida de eficiencia – “Sobre el top” es el punto donde el termocompresor comienza a perder eficiencia – A veces es llamado “Flujo de Choque”
- 11. Diseño del Termocompresor “Sobre el top” a bajas presiones. Normalmente llamado “Flujo de Choque”
- 12. “Sobre el Top” • Cuando el termocompresor llega “sobre el top” se abre completamente – El controlador de diferencial de presión pide por alto % de apertura del temocompresor y realmente genera menos diferencial – TC abre 100% y la Válvula de Alívio abre causando pérdida de vapor – Cuando está en flujo de choque el termocompressor no vuelve a ser controlado • La correcta operación y proyecto previene la operación “sobre el top” – Haga el termocompresor para las características del sifón – No use diferencial excesivo de presión – Gerenciamiento del diferencial de presión mejora la operación • Lógica “Anti choque” programada en el sistema de control – La lógica calcula el punto de choque para diferentes presiones de operación – La lógica limita la apertura del TC para previnir que pase del punto “sobre el top”
- 14. Consideraciones Energéticas • Vapor de media / alta presión es caro – Vapor motriz no pasa por las turbinas para generar electricidad Turbina Turbine Generador Generator 850 psi steam PRV HP Boiler 400 psig 165 psig 65 psig PM DRYERS Misc. Mill Steam Users Blow through steam Condensate return
- 15. Consideraciones Energeticas • Minimiza el uso de vapor motriz – Usar sifón adecuado • Minimiza el uso de vapor de arraste • Sifones estacionarios pueden reducir el uso de vapor motriz en 75% comparado al rotatorio • A veces es posible reducir el tamaño de los sifones rotatorios – Tamaño correcto del termocompresor • Termocompresores superdimensionados son menos eficientes – Proyecto correcto del termocompresor • Diseño de alta eficiencia – Geometría de la aguja y garganta es crítica para la performance – Uso del termocompresor tipo booster para maximizar el uso de vapor de baja presión
- 16. Eficiencia del Termocompresor • Geometría del termocompresor tiene un gran impacto en el uso de vapor motriz – Gargantas superdimensionadas son ineficientes – Aguja para la geometría de la garganta es importante – Larga sección cónica convergente antes de la garganta es ineficiente para la operación • Dimensionamento preciso es esencial – No se “informan más o menos” las condiciones de operación – El termocompresor es proyectado de acuerdo con las características del sifón • Modelo CFD (Computational Fluid Dynamic) es una herramienta esencial – Tecnología moderna junto con la vieja “arte”
- 17. Proyecto del Termocompresor Conversión ineficiente de energiía Alta velocidad en la área de mezcla resulta en más energía cinética disponible para Proyecto Convencional conversión para presión Proyecto Kadant Johnson de Alta Eficiencia
- 18. Modelo CFD TC con una óptima configuración TC con una no óptima introducción de vapor de • Razón de consumo mejora en 20% succión y descarga del tacto • Menos vapor motriz requerido motriz
- 19. Caso Histórico • Caso histórico Máquina de Papel Fino – Sistema gasta una media de 4.050 kg/hr • $576.400 en pérdidas de energía • Termocompresor en condiciones pobres • Sifones Rotatorios superdimensionados = mucho vapor de arraste • Uso de vapor motriz es alto – Concepto de la Reforma • Reducir el tamaño del sifón para reducir el vapor de arraste – Costo del sifón estacionario puede no ser justificado • Cambiar termocompresores con problemas • Utilizar termocompresores de alta eficiencia
- 20. Comparación caso histórico 6quot; TC Projection by CFD Analysis at Pm=390, Ps=108, Pd=120 Note: This unit is sized for Pm=390, Ps=13, Pd=30 @ 8500 PPH as well. 20000 Pressures In Psia Kadant Johnson 18000 16000 14000 PPH Suction Design A 12000 Design flow 10000 Design flow 8000 Design B 6000 4000 Traditional North American 2000 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 PPH Motive
- 21. Comparación de costos de operación • El termocompresor Kadant Johnson tiene una economía en los costos – En promedio los termocompresores de Kadant utilizan 1.930 kg / hr menos vapor motriz (total de 06 TC) – El valor del vapor motriz de la planta es $2,51 / 1.000 lbs costo • El costo de compra de energía es alta en esta planta – $86.000 por año de economía en los costos de operación comparado con los termocompresores tradicionales • Gerenciamento del control de presión diferencial – Con óptima presión diferencial se espera un resultado de 5% de economóa y vapor motriz = 900 pph = $18,000 por año en economía – Reducir el alivio en quiebres = $20.000 por año • Economíia total proyectada – $576.400 por año con reducción de vapor para atmósfera – $86.000 por año con termocompresores de alta eficiencia – $38.000 por año con gerenciamento del control de presión diferencial
- 22. Termocompresores Tipo BOOSTER 22
- 23. Termocompresores tipo Booster • 2 aplicaciones principales – Aumentar presión en grupos de secadores • Secadores usados solamente con baja presión de vapor cuando la presión de diseño de los secadores están abajo de la presión del header • Termocompresores tipo Booster aumentan la presión de los grupos de vapor cuando presiones arriba de la presión del header son necesarias – Termocompresores tipo Booster usan un poco de presión de vapor de baja para ser usada cuando presiones altas son necesarias – Aumentar la presión del colector principal para la MP entera • Usada cuando alta presión es necesaria en la mayoría de las operaciones
- 24. Sistema de Termocompresor Tipo Booster Sistema típico de Termocompresor Booster
- 25. Máquina de Papel Fino con TC tipo Booster
- 26. Termocompresor tipo Booster • Es posible aumentar la presión de un gran volumen de vapor de baja presión – En algunos casos, existe una justificación económica para aumentar la presión del header completo de la máquina • Ejemplo – Máquina Russa de Papel Copia – 5,3 bar en la descarga de la turbina de la caldera – En la máquina de papel necesitan 6,2 bar – 100.000 kg / hr flujo de vapor total para a MP – 12 bar vapor motriz disponible – TC tipo Booster instalado en caldera para aumentar la presión del flujo total • 54.500 kg / hr vapor de succión de 5,3 bar • 45.500 kg / hr vapor motriz de vapor 12 bar • Payback en aumento de generación de energía eléctrica por poder adicionar 54.500 kg / hr a través de la turbina
- 27. Termocompresor tipo Booster 20” TC Russo 24” TC Colombia
- 28. Sumario • Los Termocompresores son herramientas de energía eficientes que pueden ser usadas para control de secadores y aplicaciones de aumento de presión • El correcto dimensionamento es crítico para la performance – Previsión precisa de los flujos de operación y presiones – Casar las curvas del sifón con la performance del Termocompresor – No Sobredimensionar – Aumento del vapor motriz – Control pobre – Si cambiamos los sifones rotatorios para estacionarios tenemos que cambiar los termocompresores • Geometría de los TC es crítica para obtener la mejor eficiencia – Un termocompresor con geometría pobre va a trabajar pero con un alto consumo de vapor motriz (alto costo) – El modelo CFD es una buena herramienta para optimizar la geometría
- 29. Termocompresores Diseño , Operación y Consideraciones Energéticas FIN 29