Evaporadores: Tipos, Funcionamiento y Aplicaciones en Plantas de Fuerza | Resúmenes de Ingeniería Térmica

Evaporadores

El cambio de fase de un líquido que pasa al estado de vapor puede tener lugar por medio de dos mecanismos

distintos:

• La ebullición es un proceso de vaporización que ocurre cuando un líquido alcanza el punto de ebullición y

se forman burbujas de vapor en toda su masa.

• La evaporación es un proceso de vaporización que ocurre solo en la superficie del líquido a cualquier

temperatura por debajo del punto de ebullición. A medida que el líquido se calienta y se va incrementando

la temperatura de la superficie libre del mismo, va creciendo también la presión de vapor y las moléculas

de este comienzan a abandonar la fase para pasar a la del vapor. La evaporación tiene como característica

principal que el cambio de estado se produce exclusivamente en la interfase.

¿Cómo funciona un evaporador?

El evaporador es un sistema que tiene por función la transferencia de energía térmica, realizando dicha

transferencia desde el sistema o medio a enfriar hacia un refrigerante. Su función principal es mover la energía

térmica de una pieza que buscamos enfriar, al respectivo líquido o sistema refrigerante de la misma.

1) La solución para concentrar ingresa al evaporador.

2) Se aplica calor mediante vapor de agua, resistencias eléctricas o fluidos térmicos. Este calor se transfiere

al líquido a través de una superficie de intercambio térmico, aumentando su temperatura y su energía

interna.

3) Al alcanzar la temperatura de ebullición, el solvente se evapora, separándose del soluto.

4) El vapor generado se conduce hacia un condensador o sistema de recuperación

5) El líquido remanente, ahora más concentrado, se extrae del sistema.

Aplicando el primer y segundo principio de la Termodinámica

Según el primer principio de la termodinámica, el cual trata de la conservación de energía, en un evaporador

se suministra energía térmica al sistema mediante el fluido caliente, como vapor o resistencias eléctricas. Esta

energía se transfiere al líquido que se desea evaporar aumentando su temperatura y energía interna. Una vez

que el líquido alcanza su punto de ebullición, el calor aportado se convierte en calor latente de vaporización,

necesario para romper las fuerzas intermoleculares del solvente y transformarlo de líquido a vapor.

El balance energético en el evaporador asegura que el calor suministrado se use para el cambio de fase y las

posibles pérdidas del sistema. Matemáticamente:

𝑄 = 𝑚 ∗ ∆ℎ

Donde Q es el calor transferido, m es la masa del solvente evaporado y ∆h es el cambio de entalpia durante la

evaporación.

Según el segundo principio de la termodinámica, el cual explica que el calor fluye desde una fuente caliente

hacia una más fría y que el proceso genera un aumento de entropía en el sistema. En el caso del evaporador, el

calor fluye desde el fluido caliente hacia el líquido que se está evaporando, provocando su cambio de fase.

Sin embargo, no toda la energía suministrada se aprovecha perfectamente debido a las irreversibilidades del

sistema, como perdidas de calor al ambiente o caídas de presión. Para reducir estas irreversibilidades y

mejorar la eficiencia, muchos evaporadores operan bajo vacío, lo que disminuye el punto de ebullición del

solvente y reduce el consumo energético.

En evaporadores de múltiple efecto, el calor de vapor generador en una etapa se reutiliza en la siguiente,

optimizando el uso de la energía térmica y aumentando la eficiencia del sistema.

Clasificación de los equipos de evaporación

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Evaporadores El cambio de fase de un líquido que pasa al estado de vapor puede tener lugar por medio de dos mecanismos distintos:

La ebullición es un proceso de vaporización que ocurre cuando un líquido alcanza el punto de ebullición y se forman burbujas de vapor en toda su masa.
La evaporación es un proceso de vaporización que ocurre solo en la superficie del líquido a cualquier temperatura por debajo del punto de ebullición. A medida que el líquido se calienta y se va incrementando la temperatura de la superficie libre del mismo, va creciendo también la presión de vapor y las moléculas de este comienzan a abandonar la fase para pasar a la del vapor. La evaporación tiene como característica principal que el cambio de estado se produce exclusivamente en la interfase. ¿Cómo funciona un evaporador? El evaporador es un sistema que tiene por función la transferencia de energía térmica, realizando dicha transferencia desde el sistema o medio a enfriar hacia un refrigerante. Su función principal es mover la energía térmica de una pieza que buscamos enfriar, al respectivo líquido o sistema refrigerante de la misma.

La solución para concentrar ingresa al evaporador.
Se aplica calor mediante vapor de agua, resistencias eléctricas o fluidos térmicos. Este calor se transfiere al líquido a través de una superficie de intercambio térmico, aumentando su temperatura y su energía interna.
Al alcanzar la temperatura de ebullición, el solvente se evapora, separándose del soluto.
El vapor generado se conduce hacia un condensador o sistema de recuperación
El líquido remanente, ahora más concentrado, se extrae del sistema. Aplicando el primer y segundo principio de la Termodinámica Según el primer principio de la termodinámica , el cual trata de la conservación de energía, en un evaporador se suministra energía térmica al sistema mediante el fluido caliente, como vapor o resistencias eléctricas. Esta energía se transfiere al líquido que se desea evaporar aumentando su temperatura y energía interna. Una vez que el líquido alcanza su punto de ebullición, el calor aportado se convierte en calor latente de vaporización, necesario para romper las fuerzas intermoleculares del solvente y transformarlo de líquido a vapor. El balance energético en el evaporador asegura que el calor suministrado se use para el cambio de fase y las posibles pérdidas del sistema. Matemáticamente: 𝑄 = 𝑚 ∗ ∆ℎ Donde Q es el calor transferido, m es la masa del solvente evaporado y ∆h es el cambio de entalpia durante la evaporación. Según el segundo principio de la termodinámica , el cual explica que el calor fluye desde una fuente caliente hacia una más fría y que el proceso genera un aumento de entropía en el sistema. En el caso del evaporador, el calor fluye desde el fluido caliente hacia el líquido que se está evaporando, provocando su cambio de fase. Sin embargo, no toda la energía suministrada se aprovecha perfectamente debido a las irreversibilidades del sistema, como perdidas de calor al ambiente o caídas de presión. Para reducir estas irreversibilidades y mejorar la eficiencia, muchos evaporadores operan bajo vacío, lo que disminuye el punto de ebullición del solvente y reduce el consumo energético. En evaporadores de múltiple efecto, el calor de vapor generador en una etapa se reutiliza en la siguiente, optimizando el uso de la energía térmica y aumentando la eficiencia del sistema. Clasificación de los equipos de evaporación

La clasificación de los equipos de evaporación refleja la versatilidad de los procesos de vaporización, diferenciándolos según el fluido procesado y el objetivo final, ya sea producir energía, concentrar una solución o purificar un solvente.

Calderas: Son aparatos tubulares calentados directamente que convierten la energía del combustible en calor latente de vaporización. Son equipos utilizados principalmente para producir vapor de agua a alta presión y temperatura.
Intercambiadores vaporizantes : No tienen fuego directo y convierten el calor latente o sensible de un fluido en calor latente de vaporización de otro. Se utilizan en procesos donde se requiere evaporar un fluido sin necesidad de generar altas presiones, como en sistemas de refrigeración o Vaporizador: intercambiador calentado indirectamente en el que un fluido esta sujeto a vaporización y que no forma parte de un proceso de evaporación o destilación. o Evaporador : Cuando se utilizan para evaporar agua o soluciones acuosas. ▪ Evaporadores para plantas de fuerza: Usado para la producción de agua pura o para cualquier proceso asociado a la generación de potencia. El objetivo es purificar el solvente (generalmente agua) al evaporarlo y condensarlo nuevamente. ▪ Evaporadores químicos: Se usa para concentrar una solución química mediante la evaporación del solvente. Comunes en la industria alimentaria (concentrar jugos), farmacéutica y química. o Hervidor o caldereta: Usados para suministrar los requerimientos de calor en el fondo de una columna de destilación. Su función principal es proporcionar el calor necesario para separar componentes de una mezcla liquida mediante la vaporización selectiva. Evaporadores para plantas de fuerza Uno de los principales propósitos de los evaporadores para plantas de fuerza es el de proveer agua relativamente pura para la alimentación de la caldera. Las impurezas se retiran continuamente del sistema mediante la purga. Las principales características incorporadas en los evaporadores para plantas de fuerza son, un elemento calefactor tubular, un espacio en el que las gotitas del líquido que se arrastran debido al estallido de las burbujas pueden separarse, y un medio para remover la incrustación de la parte exterior de los tubos. Todos los diseños operan llenos de agua hasta la mitad, siendo la mitad superior el espacio en el cual las gotas se separan y, asimismo, todos están equipados con separadores que regresan el líquido separado debajo del nivel de trabajo del evaporador.

Ausencia de purgas: Los evaporadores químicos no operan con sistemas de purgas y en lugar de que el líquido se alimente en paralelo a cada evaporador, usualmente se alimenta a sistemas de múltiple efecto en serie. El alimento al primer efecto es parcialmente evaporado en él y parcialmente en el resto de los efectos. Desde el punto de vista del uso efectivo de los potenciales de temperatura , la alimentación en paralelo es preferible.
Elevación del punto de ebullición (EPE): Aun cuando los evaporadores químicos son capaces de altas eficiencias térmicas, son incapaces, en ciertas condiciones, de una alta utilización de los potenciales térmicos, y consecuentemente requieren grandes superficies. Esto se debe al hecho de que las soluciones acuosas concentradas experimentan un aumento en el punto de ebullición sobre la temperatura de saturación correspondiente al agua pura a la misma presión. La diferencia entre la temperatura del vapor de calentamiento y la temperatura de saturación correspondiente a la presión del vapor que se evapora es la caída de temperatura aparente ΔTa. Si los coeficientes se calculan en base a esta temperatura se denominan coeficientes totales aparentes. Sin embargo, es más común basarlos en la diferencia de temperatura a través de la superficie de calentamiento entre el vapor de calefacción y el líquido que se evapora.
Propiedades del fluido: En el evaporador de la planta de fuerza el proceso de ablandamiento de agua se modifica en diferentes localidades, de manera que la composición del alimento del evaporador cause un mínimo de espuma. En el evaporador químico, el residuo, la solución concentrada, es el producto deseado y no se pueden hacer ajustes en la solución para prevenir la espuma o eliminar el depósito incrustante. Las soluciones concentradas producen licores de alta viscosidad. Puesto que la ebullición es una combinación de vaporización y convección libre, el coeficiente total de transferencia de calor es una función tanto de la concentración como de la temperatura a la cual la evaporación tiene lugar. La influencia de la viscosidad puede ser tan grande que el grupo de Grashof D^3 ρ^2 gβΔt/μ^2 , puede resultar despreciable para evaporadores que operen con circulación natural. No puede esperarse que el líquido circule rápidamente por los elementos de calentamiento, y es necesario usar circulación forzada. Clasificación de evaporadores químicos Se clasifican en dos grupos: de circulación natural y de circulación forzada. Los primeros se usan unitariamente o en efecto múltiple para los requerimientos más simples de evaporación. Los de circulación forzada se usan para líquidos viscosos, los que forman sales, y las soluciones que tienden a incrustarse. Los evaporadores de circulación natural se clasifican en cuatro clases principales:
Evaporadores de tubos horizontales: Son los más antiguos y de amplia aceptación, pero ya están dejando lugar a otros modelos. Consisten en un cuerpo cilíndrico o rectangular y de un haz de tubos que usualmente es de sección cuadrada. Es el único tipo de evaporador que emplea vapor dentro de los tubos. La principal ventaja de los evaporadores horizontales es el reducido espacio requerido para su instalación vertical y el arreglo del haz de tubos, de manera que el aire puede purgarse con el vapor no permitiendo que bloquee la superficie de calentamiento. Es el evaporador menos satisfactorio para líquidos que formen incrustaciones debido a que estas se forman en el exterior de los tubos, por lo que son utilizados para problemas de concentración simples y no para preparar líquidos que serán sometidos a una cristalización posterior.
Evaporadores de calandria: Consiste en un haz de tubos vertical, corto, colocado entre dos espejos que se remachan en las bridas del cuerpo del evaporador. El vapor fluye por fuera de los tubos en la calandria y hay un gran paso circular de derrame en el centro del haz de tubos donde el líquido frío recircula hacia la parte inferior de los tubos. Se muestra en la figura el patrón de flujo en la calandria. Se colocan deflectores en el espacio vapor de manera que haya una distribución relativamente completa del vapor en los tubos. El espacio libre sobre el nivel del líquido en la calandria sirve primariamente para liberar el líquido que es arrastrado por el vapor. Puesto que la incrustación ocurre dentro de los tubos, es posible usar el

evaporador para servicios más rigurosos y además puede instalarse un agitador en el fondo cónico o abombado para aumentar la circulación.

Evaporadores de canasta: Es similar al evaporador de calandria, excepto en que tiene el haz de tubos desmontable, lo que permite una limpieza rápida. El derramadero está situado entre el haz de tubos y el cuerpo del evaporador, en lugar de la parte central. Como resultado de estas ventajas mecánicas, este evaporador se suele usar para licores que tienden a incrustar.
Evaporadores de tubos verticales largos: Está formado por un elemento calefactor tubular diseñado para el paso de los licores a través de los tubos sólo una vez, movidos por circulación natural. El vapor entra a través del cinturón y el haz tiene deflectores de manera de lograr un movimiento libre del vapor, condensados y no condensados hacia abajo. El espejo superior de los tubos está libre y justamente sobre él hay un deflector de vapor para reducir el arrastre. Este tipo de evaporador no es especialmente adaptable a los licores incrustantes o que depositan sales, pero es excelente para el manejo de líquidos espumosos o que forman natas. La velocidad del vapor que sale de los tubos es mayor que en los tipos de tubos verticales cortos. Los evaporadores de circulación forzada se fabrican en gran variedad de arreglos y pueden no ser tan económicos en operación como los evaporadores de circulación natural, pero son necesarios cuando los problemas de concentración involucran soluciones de flujo pobre, incrustantes, y ciertas características térmicas. Puesto que el grupo de Grashof varía inversamente con el cuadrado de la viscosidad, hay un límite de viscosidades de soluciones que recirculan naturalmente. Con materiales muy viscosos no hay otra alternativa sino la de usar este tipo de evaporador. También, donde hay una tendencia a la formación de incrustaciones o al depósito de sales, las altas velocidades que se obtienen por el uso de las bombas de recirculación son los únicos medios de prevenir la formación de depósitos excesivos. Evaporación múltiple efecto Consiste en utilizar el vapor producido en un evaporador como fuente térmica en un segundo evaporador que opera a menor presión que el primero, haciendo una utilización adicional de la mayoría del calor. Cada uno de estos evaporadores se denomina efecto. Para mantener la diferencia de temperatura para transferencia de calor entre el vapor de un efecto y el líquido en ebullición del siguiente, la presión en cada uno de los evaporadores que se suceden debe ser menor que en los predecesores. La cantidad de purga a la que se llega por experiencia con agua de diferentes calidades lleva con ella considerable calor sensible, reduce la cantidad de vaporización que puede ser realizada en los efectos siguientes. Debido en parte a este escape de calor del sistema, hay un límite al número de efectos que son justificables Alimentación directa El alimento entra en el primer efecto y sigue el mismo sentido de circulación que el vapor, saliendo el producto en el último efecto. El líquido circula en el sentido de las presiones decrecientes y no es necesario aplicar ninguna energía auxiliar para que el líquido pase de un efecto al otro. Solo hacen falta dos bombas, una para introducir el líquido en el primer efecto y otra para extraer el producto del último efecto.

que la temperatura del efecto precedente, siempre hay una evaporación flash en cada efecto que reduce el consumo total de vapor. En un evaporador la película de ebullición es la resistencia controlante y el valor, numérico del coeficiente total disminuye con la concentración debido a que la viscosidad aumenta. En la alimentación con flujos paralelos, el licor concentrado se encuentra en el último efecto y obviamente, ese efecto tiene el menor coeficiente total, ya que el líquido está más concentrado aquí y al mismo tiempo más frío. Operación al vacío Los evaporadores operan frecuentemente con el último efecto al vacío, y una de las consideraciones importantes es establecer el método para mantener continuamente el vacío. El uso de un compresor mecánico para el último paso usualmente es prohibitivo debido a los requerimientos de energía para la compresión. Además, no hay razón para operar uno cuando la reducción en volumen específico puede lograrse parcialmente por condensación. Una solución es el uso de un condensador barométrico con eyectores para aire. Termocompresión Se considera un evaporador de simple efecto. Se alimenta con vapor vivo y genera vapores que tienen casi el mismo contenido de calor que el originalmente presente en el vapor vivo. Estos vapores se condensan con agua como un método conveniente para eliminarlos, pero hay un severo desperdicio tanto de calorías como de agua. A no ser por el hecho de que la temperatura de los vapores generados es menor que la del vapor vivo, sería posible usar de nuevo los vapores en la calandria. Si los vapores del evaporador fueran comprimidos a la presión de saturación del vapor vivo la temperatura de estos podría elevarse a la del vapor vivo original. La práctica de recomprimir el vapor para aumentar su temperatura y permitir nuevamente su uso, se llama termocompresión. El costo de suministrar la cantidad necesaria de compresión es usualmente pequeño comparado con el valor del calor latente de los vapores. Cuando el combustible es costoso, la compresión puede efectuarse con un compresor centrífugo. Cuando se dispone de vapor a mayor presión que la requerida en el evaporador, la recompresión puede efectuarse en un impulsor de vapor, que opera en el principio del eyector. La presión a la que el vapor se descarga del termocompresor depende de la presión y proporciones en las que el vapor vivo y del evaporador se suministran. A mayor presión de descarga, mayor será el porcentaje de vapor vivo requerido. Efecto del aire en las instalaciones de vapor El aire penetra en los sistemas de vapor durante las paradas cuando la instalación se enfría y del que se encuentra disuelto en el agua de las calderas. De esta manera se forman mezclas aire-vapor en lugar de vapor puro, produciendo los siguientes efectos perjudiciales:

En la mezcla, cada uno de los componentes (aire y vapor) ejerce su propia presión parcial y el vapor condensará a la temperatura de condensación que existiría si no hubiera aire en el sistema. De este modo, al reducirse la temperatura del vapor condensante se tiene una menor fuerza impulsora para la transmisión de calor.
Cuando se produce la condensación del vapor sobre las superficies frías, dado que el aire no condensa, la proporción aire/vapor cercano a las superficies de transferencia es mucho menor que la existente en el seno de la mezcla. De este modo, se origina una película de aire que bloquea la superficie y las moléculas del vapor deben difundir a través de esta. Esto reduce drásticamente el coeficiente pelicular de condensación, solo 1% de aire puede originar una reducción del coeficiente de 50%. La forma de lidiar con esto es que las trampas de vapor deben actuar como purgadores de aire además de condensado, pero reteniendo el vapor. Trampas de vapor

Las trampas de vapor son un tipo de válvula automática que filtra el condensado (es decir vapor condensado) y gases no condensables como lo es el aire esto sin dejar escapar al vapor. En la industria, el vapor es regularmente usado para calentamiento o como fuerza motriz para un poder mecánico. Las trampas de vapor son usadas en tales aplicaciones para asegurar que no se desperdicie el vapor.

Trampa de fuelle termostático → funciona mediante la expansión y contracción de un fluido interno que cambia de fase según la temperatura. Cuando la trampa se enfría, el fluido se condensa, el fuelle se contrae y se abre la válvula de salida, permitiendo evacuar el condensado y el aire. Al recibir vapor caliente, el fluido se evapora, el fuelle se expande y la trampa se cierra. Su descarga es discontinua, tiene alta capacidad y es compacta, pero es vulnerable a golpes de ariete y corrosión debido a su construcción con lámina metálica delgada.

Tiene un líquido interno que se expande o se contrae según la temperatura.
Cuando se enfría, el líquido se condensa, el fuelle se contrae y se abre la válvula para dejar salir el condensado y el aire.
Cuando recibe vapor caliente, el líquido se evapora, el fuelle se expande y se cierra la válvula. Características: Descarga discontinua. Pequeña y con alta capacidad. Sensible a golpes de ariete y corrosión.

Trampa de flotador → Cómo funciona:
- Tiene un flotador que sube y baja según la cantidad de condensado acumulado.
- Si hay poco condensado, el flotador está abajo y la válvula permanece cerrada.
- Cuando hay mucho condensado, el flotador sube y abre la válvula , permitiendo su salida. Características: Funciona bien con caudales variables. Operación estable. No elimina aire, por lo que necesita una purga manual o un pequeño fuelle termostático.
Trampa de balde invertido → Funciona mediante el desplazamiento de un balde dentro de un recipiente. Cuando la trampa está llena de condensado, el balde se hunde y abre la válvula de salida. Al ingresar vapor, este desplaza al líquido bajo el balde, generando empuje y cerrando la válvula. Cuando el vapor condenso, el balde se hunde nuevamente y reabre la válvula, repitiendo el ciclo. Un pequeño orificio en la parte superior del balde permite la salida de aire, evitando que la trampa quede cerrada. Sin embargo, también escapa algo de vapor, lo que limita su eficiencia. 4) Trampa termodinámica:

Tiene un disco móvil que se mueve por cambios de presión.
Al inicio, permite salir aire y condensado frío.
Cuando llega vapor caliente, este se mueve rápido y genera una baja presión, lo que hace que el disco se cierre.
La trampa permanece cerrada mientras esté caliente.
Cuando el condensado se enfría, la presión baja, el disco se abre y el ciclo se repite.
Características: o Compacta, resistente y económica.

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