sección 9 optimización de sistemas de vapor - … · funcionan a partir de la diferencia de ......

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Sección 9

Optimización de sistemas de vapor - Recuperación de condensado

Tipos de trampas de vapor Programa de gestión de las trampas de vapor

Evaluaciones e impactos económicos del SSAT Evaluación de los sistemas de recuperación de condensado

Tanques de evaporación súbita de condensado Venteo de tanques de condensado

Evaluaciones e impactos económicos del SSAT

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Sistema de vapor genérico

Recuperación

Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program

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Trampas de vapor Las trampas cumplen varias funciones operativas vitales para los sistemas

de vapor • Durante el arranque, permiten el escape del aire y de grandes

cantidades de condensado • Durante el funcionamiento normal, permiten que el condensado

recogido pase al sistema de retorno de condensado, minimizando (o eliminando) la pérdida de vapor

Hay distintos tipos de trampas de vapor y, por lo tanto, hay que comprender bien sus funciones y principios de funcionamiento

Todas las plantas de vapor industrial tendrían que tener un programa de gestión de de trampas de vapor efectivo.

Aunque una falla en una trampa de vapor no siempre provoca en si misma una pérdida de energía, siempre acarrea problemas en el funcionamiento del sistema y cuestiones de fiabilidad.

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Tipos de trampas de vapor trampas termostáticas

• de fuelle*

• bimetálicas*

trampas mecánicas

• de flotador

• de flotador y palanca

• de cubeta invertida*

• de cubeta abierta

• de flotador y termostática*

trampas termodinámicas

• de disco*

• de pistón

• de palanca

trampas de orificio

• trampas de placa

• tubos de Venturi

* Más comúnmente utilizados

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Trampas de vapor termostáticas Responden a los cambios de

temperatura

Un fuelle (con un líquido volátil) o una banda bimetálica cierran la válvula con vapor a alta temperatura

Al recopilar el condensado (por lo general, sub-enfriado), el fuelle se contrae y abre la válvula para permitir el drenaje del condensado


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Trampas de vapor termostáticas Dejan entrar condensado subenfriado

Descargan condensado o condensado y vapor evaporado súbitamente, según el subenfriado

Permiten recuperara la energía del condensado

Alta capacidad de extracción de aire


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Trampas de vapor mecánicas

Trampas de flotador y termostáticas (F&T)

Dejan entrar el saturado y/o el condensado subenfriado

Descargan condensado y vapor evaporado súbitamente

Capacidad significativa de extracción de aire y de arranque

Operación de tipo de modulación


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Trampas de vapor mecánicas

Dejan entrar el saturado y/o el condensado subenfriado


Capacidad limitada de extracción de aire y de arranque

No convienen en servicios de vapor sobrecalentado

Funcionamiento intermitente Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program

Trampa de cubeta invertida (Flotación abierta)

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Trampas de vapor termodinámicas

Trampa de disco

Funcionan a partir de la diferencia de energía cinética (velocidad) entre el condensado y el vapor

Dejan entrar condensado saturado


Funcionamiento intermitente

Se les puede agregar un elemento termostático para mejorar la extracción de aire


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Trampas de vapor de orificio Sin piezas móviles

Funcionamiento continuo

Generalmente se usan en aplicaciones con cargas constantes

Capacidad limitada de extracción de aire debido a las limitaciones del orificio

Están diseñadas para remover una cantidad específica de condensado

Si no hay condensado, se produce una pequeña fuga de vapor continua


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Trampas de vapor sobre el terreno

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Trampas de vapor sobre el terreno

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Fallas de las trampas de vapor De acuerdo con los numerosos estudios realizados en la industrias,

la "regla general" más aceptada estadísticamente, es que anualmente fallan en 10 % de las trampas

Esto depende de varios factores y puede variar según la industria

Los principales tipos de falla son:

• falla en el cierre

• falla en la apertura

• falla por fugas parciales o por cierre parcial

Las fallas en el cierre y en la apertura son las que causan los impactos mayores

• Estos tipos de falla son los más fáciles de detectar

• Son las que deben resolverse primero

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Investigación de las trampas de vapor para mejorar el rendimiento

Existen varios métodos para investigar el rendimiento de las trampas de vapor rendimiento

• visual

• método acústico

• método térmico

La mayoría de las veces, no alcanza con usar uno solo de los métodos, de modo que se recomienda lo siguiente

• una combinación de métodos

• Se necesita un proceso adicional o más información sobre el sistema

Para algunas trampas de vapor, existe nuevos sistemas de monitoreo de última generación (en tiempo real)

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Investigación visual de las trampas de vapor Aplicación limitada

• La mayoría de los sistemas de condensado son cerrados

• El uso de este método está limitado por cuestiones de seguridad y de practicidad

Hay que entender como funciona cada trampa y cada aplicación

• intermitente

• continua

En el caso de que haya varias trampas que retornan el condensado a través de una sistema de retorno de condensado en cascada, el punto para la inspección visual es el venteo del depósito de condensado

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Investigación acústica de las trampas de vapor

Muchos instrumentos disponibles

• Destornillador

• Estetoscopio

• Dispositivos ultrasónicos


Lo más práctico es en general la detección ultrasónica

Algunos fabricantes tienen herramientas que disponen de herramientas que detectan la firma acústica del flujo de vapor que pasa por una trampa y usan esta información para detectar las fallas

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Investigación térmica de las trampas de vapor

Muchos instrumentos disponibles

• Lápiz medidor de temperatura

• Pistola de temperatura infrarroja

• Cámara de termografía infrarroja


Los datos pueden ser no concluyentes

• Al pasar por un orificio, el condensado y el vapor tienen una caída de temperatura, por lo que es difícil de determinar si la trampa fallo en la apertura

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Reconocimiento de las trampas de vapor - investigación de la recuperación de condensado ¿Se está recuperando el condensado?

¿El condensado recuperado retorna a las calderas con la mayor energía térmica posible en la práctica?

¿El sistema de recuperación provoca una contrapresión excesiva en las trampas?

¿Es posible recuperar el vapor evaporado súbitamente?

Diseñe el sistema de recuperación de condensado para que tenga la mayor eficiencia posible


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Instalación de las trampas de vapor Hay que instalar cada trampa correctamente

Hay que tener en cuenta los gases no condensables y las consideraciones relativas al arranque

Hay que considerar el sistema de recolección del condensado

• Consideraciones relativas a la contrapresión

• Consideraciones relativas a la elevación

• Consideraciones relativas al flujo de dos fases


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Programa efectivo de gestión de las trampas de vapor Haga una base de datos de las trampas de vapor

• Tipo de trampa, número de modelo, tamaño, etcétera

• Aplicación

• Pérdida de energía si falla en la apertura

• Problemas si falla en el cierre

• Fecha de la última falla registrada y de la última reparación

Priorice las reparaciones a partir de las estimaciones de pérdidas y del grado de importancia del sistema de vapor y de las operaciones de producción

Vigile diariamente el venteo de los depósitos

Inspeccione todas las trampas al menos una vez al año

La capacitación en el mantenimiento de trampas es esencial

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Análisis de los ahorros de las trampas de vapor Primer método

• Use el SSAT para predecir los ahorros - estimación preliminar • Cantidad de trampas y último mantenimiento realizado

Segundo método

• Use el SSAT para averiguar los ahorros • Cantidad de trampas que fallaron

Tercer método

• Use el tamaño de los orificios y calcule el flujo de la fuga de vapor • Uso el proyecto 1 de SSAT de ahorros de la demanda • Método más preciso - sobre todo para los sistemas de cogeneración

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Proyecto 16 del SSAT - análisis de los ahorros Primer método 1 (opción uno)

• Use el SSAT para predecir los ahorros - estimación preliminar • Cantidad de trampas y último mantenimiento realizado • Estimación muy APROXIMADA

Do you wish to model the impact of a maintenance program?Note: For Option 1, the model estimates a new trap failure rate. The rate reported is for 6 months after the maintenance program is carried out

Option 2 - Trap failures on HP header Failures > Current - Model will use 0Option 2 - Trap failures on MP header Failures > Current - Model will use 0Option 2 - Trap failures on LP header Failures > Current - Model will use 0Note: Calculated values based on current user inputs are:-HP header - Trap failures: 0, Loss per trap 0.034 t/h - Total trap loss = 0.00 t/h.MP header - Trap failures: 0, Loss per trap 0.014 t/h - Total trap loss = 0.00 t/h.LP header - Trap failures: 0, Loss per trap 0.003 t/h - Total trap loss = 0.00 t/h.

555

Project 16 - Steam Trap LossesLosses calculated from user-defined data

Option 1 - Yes, model to estimate new loss values

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Proyecto 16 del SSAT - análisis de los ahorros Segundo método (opción dos)

• Use el SSAT para averiguar los ahorros • Cantidad de trampas que fallaron • Estimación APROXIMADA

Do you wish to model the impact of a maintenance program?Note: For Option 1, the model estimates a new trap failure rate. The rate reported is for 6 months after the maintenance program is carried out

→ Option 2 - Trap failures on HP header ←→ Option 2 - Trap failures on MP header ←→ Option 2 - Trap failures on LP header ←

Note: Calculated values based on current user inputs are:-HP header - Trap failures: 5, Loss per trap 0.034 t/h - Total trap loss = 0.17 t/h.MP header - Trap failures: 5, Loss per trap 0.014 t/h - Total trap loss = 0.07 t/h.LP header - Trap failures: 5, Loss per trap 0.003 t/h - Total trap loss = 0.02 t/h.

555

Project 16 - Steam Trap LossesLosses estimated automatically by model - Last maintenance program 3-5 years ago

Option 2 - Yes, enter new number of failed traps

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Proyecto 1 del SSAT - Análisis de los ahorros de las trampas de vapor

Método 3 - más preciso

Trabaje con las trampas de vapor que fallaron en el cierre y haga una lista de las trampas que fallaron para cada uno de los niveles de presión

steamorificesteam PAm ××= 695,0

Do you wish to specify steam demand savings?

→ If yes, enter HP steam saving 0 t/h ←→ If yes, enter MP steam saving 0 t/h ←→ If yes, enter LP steam saving 0 t/h ←

Note: A negative saving can be entered to model an increase in steam demandNote: The savings have been converted to heat duties of 0 kW (HP), 0 kW (MP) and 0 kW (LP) based on current header enthalpiesNote: These heat duties are then used to determine the actual flow change in the Projects Model based on the calculated header enthalpies

Project 1 - Steam Demand Savings (Changing the process steam requirements)Current use - HP: 25 t/h (12946 kW) MP: 50 t/h (27751 kW) LP: 100 t/h (57560 kW)

Yes

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Puntos más importantes / Acciones recomendadas 1. Hay distintos tipos de trampas de vapor y, por lo tanto,

hay que comprender bien sus funciones y principios de funcionamiento

2. Tipos principales de fallas de las trampas de vapor - en la apertura / en el cierre

3. Cree un programa efectivo de gestión de trampas de vapor

4. Se consiguen varias herramientas para investigar las trampas de vapor

5. Realice una auditoría de las trampas de vapor por lo menos una vez al año y repare o remplace las trampas defectuosas

6. Los fabricantes de trampas de vapor son un colaborador muy valioso

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Recuperación de condensado El condensado se produce después de que el vapor transfiere toda

su energía térmica y se condensa en forma de agua

De todos modos, en el condensado queda una cantidad significativa de energía térmica

Cada unidad de condensado recuperado significa que se necesita una unidad menos de agua de reposición

Retorno de condensado

• Reduce la energía (necesidad de vapor) en el desgasificador

• Reduce el agua de reposición

• reduce los productos químicos para tratamiento del agua

• Reduce el agua que va al desagüe

• Es posible que reduzca la purga

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Recuperación de condensado Normalmente, el condensado tiene un valor

• Energía

• Reducción del agua de reposición

• Por lo general, esto mejora calidad del agua de alimentación

– Nos permite reducir la purga de la caldera

• Productos químicos

El costo de la recuperación de condensado se basa en general en las tuberías del sistema de recuperación

• Equipo de recuperación

• Tuberías de retorno

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Recuperación de condensado Los depósitos de condensado que se usan en alguna "área"

reducen los costos de los proyectos

Los depósitos de condensado y los tanque de evaporación súbita sirven para reducir la cantidad de vapor que entra en las tuberías de retorno de condensado, con lo que se reducen los problemas de restricciones de flujo

Un tema crítico es la contaminación del condensado

El venteo de los depósitos nos indica si hay fallas en las trampas

Hay que investigar si hay problemas con las bombas de altura de aspiración positiva neta (NPSH)


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Ejemplo de retorno de condensado Vapor de baja presión (2 bares)

Material calentado

Descarga al desagüe

Temperatura del condesado medida = 100 °C.

El flujo de condensado medido con un cronómetro y una vasija (también se usa mucho el método de balance de masa y energía) es de 50 l/min


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Ejemplo de retorno de condensado Vapor de alta presión

Material calentado

Venteo a la atmósfera

Control de nivel

Retorno de condensado aislado

Temperatura del condensado que entra al sistema de agua de la caldera = 70 ºC

Temperatura del agua de reposición = 20 ºC

Temperatura del condesado = 100 ºC.


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Ejemplo de retorno de condensado Entalpía del condensado: 293,1 kJ/kg

Entalpía del agua de reposición: 83,9 kJ/kg

Caudal de condenado: 50 l/min

de las tablas de vapor

Ahorros a partir del retorno de condensado

( )( )

500.166$760.80,1144.401600.3212

21280,015,1691

5,1699,831,29381,0

81,0601

100018,97750

≈××××=

=×=×=

=−×=

−×=

=×××=

EnergiadeAhorros

kWQQ

kWQhhmQ

skgm

boilercondensatesystem

condensate

makeupcondensatecondensatecondensate

condensate

η

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Proyecto 13 del SSAT - Ahorros del retorno de condensado

Process Condensate WarningsCondensate return temperature to tank 70 °CHP condensate recovery 50 %MP condensate recovery 50 %LP condensate recovery 50 %

Note: Condensate recovery specified as the percentage of steam supplied to the processes at each level

Input Data

Steam Leaks 0.0 t/h0.0 t/h To MP

20.0 t/h 20.0 t/h 10.0 t/h 0.0 t/h

25 barg Users Traps Unrecovered 10.0 t/h375 C Condensate

100% dry 10.0 t/h 0.0 t/h

Steam Leaks 10.0 t/h 0.0 t/h0.0 t/h To LP

40.0 t/h 40.0 t/h 20.0 t/h 0.0 t/h

10 barg Users Traps Unrecovered 30.0 t/h362 C Condensate

100% dry 20.0 t/h 0.0 t/h

Steam Leaks 30.0 t/h0.0 t/h

70.0 t/h 70.0 t/h 35.0 t/h

2 barg Users Traps Unrecovered334 C Condensate 65.0 t/h

100% dry 35.0 t/h

0.0 t/h

Trap Losses0.0 t/h

12273 kW

Heat Loss

Heat Loss

Trap Losses0.0 t/h

Trap Losses

0 kW

50091 kW

Heat Loss0 kW

0 kW

26660 kW

T

T

T

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Proyecto 13 del SSAT - Ahorros del retorno de condensado Tenga en cuenta que el SSAT necesita que el retorno de condensado

se ingrese como un porcentaje del vapor suministrado al proceso a nivel de cada uno de los cabezales

• Para obtener el nuevo valor del retorno de condensado hay que hacer cálculos manuales

• Demanda de vapor de BP = 70 Tph

• Retorno de condensado actual = 50 %

• Retorno de condensado actual = 35 Tph

• Condensado adicional = 0,81 kg/s = 2,92 Tph

• Nuevo retorno de condensado = 35 + 2,92 = 37,92 Tph

• Nuevo retorno de condensado = 37,92 / 70 = 54,17%

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Tenga en cuenta que el SSAT necesita información de la recuperación de condensado para todos los cabezales aun en el caso en que el proyecto que se modela sea para uno solo de los cabezales

• Los otras cabezales deben tener el mismo número de la página "Input"

Do you wish to specify new condensate recovery rates?

→ If yes, enter new HP condensate recovery 50 % ←→ If yes, enter new MP condensate recovery 50 % ←→ If yes, enter new LP condensate recovery 54.17 % ←

Note: Condensate return temperature will be assumed to be 70°C as for the current operation

Project 13 - Condensate RecoveryCurrently recover 50% of HP, 50% of MP and 50% of LP at 70°C

Yes

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Cost Summary ($ '000s/yr)Power Cost 0.0%Fuel Cost 0.1%Make-Up Water Cost 4.0%Total Cost (in $ '000s/yr) 0.2%

On-Site EmissionsCO2 Emissions 0.1%SOx Emissions N/ANOx Emissions 0.1%

Power Station EmissionsCO2 Emissions -SOx Emissions -NOx Emissions -Note - Calculates the impact of the change in site power import on emissions from an external power station. Total reduction values are for site + power station

Utility BalancePower Generation -Power Import 0.0%Total Site Electrical Demand -

Boiler Duty 0.1%Fuel Type -Fuel Consumption 12622.3 Nm3/h 12603.4 Nm3/h 18.9 Nm3/h 0.1%Boiler Steam Flow 0.1%

Fuel Cost (in $/MWh) -Power Cost (as $/MWh) -

Make-Up Water Flow 4.0%73 m3/h 70 m3/h 3 m3/h

89.68 89.68 -100.00 100.00 -

Natural Gas Natural Gas -

150.1 t/h 149.9 t/h 0.2 t/h

6998 kW 6998 kW -

140754 kW 140544 kW 211 kW

1998 kW 1998 kW -5000 kW 5000 kW 0 kW

0 t/yr 1 t/yr

Current Operation After Projects Reduction

Reduction After Projects0 t/yr 332 t/yr0 t/yr 0 t/yr

Total Reduction

0 t/yr 0 t/yr 0 t/yr439 t/yr 438 t/yr 1 t/yr

Current Operation After Projects221726 t/yr 221394 t/yr

405 17115,373 115,191 182

Results Summary

Current Operation After Projects

SSAT 3 Header Experts Training Example

4,380 4,380 0

Model Status : OKReduction

Reduction332 t/yr

110,572 110,406 165421

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Sistemas de condensado en cascada Vapor de alta presión

Al sistema de vapor de baja presión

Control de nivel

al sistema de condensado (puede ser que no haga falta bombear)

De las trampas de vapor adicionales


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Proyectos 14 y 15 del SSAT - Tanques de evaporación súbita de condensado

Do you wish to modify the MP condensate flash system?

Do you wish to modify the LP condensate flash system?

Project 14 - Condensate Flash to MPNot currently installed

Not currently installedProject 15 - Condensate Flash to LP

Yes, install condensate flash to MP

Yes, install condensate flash to LP

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Cost Summary ($ '000s/yr)Power Cost 0.0%Fuel Cost 2.3%Make-Up Water Cost -0.1%Total Cost (in $ '000s/yr) 2.2%

On-Site EmissionsCO2 Emissions 2.3%SOx Emissions N/ANOx Emissions 2.3%

Power Station EmissionsCO2 Emissions -SOx Emissions -NOx Emissions -Note - Calculates the impact of the change in site power import on emissions from an external power station. Total reduction values are for site + power station

Utility BalancePower Generation -Power Import 0.0%Total Site Electrical Demand -

Boiler Duty 2.3%Fuel Type -Fuel Consumption 12622.3 Nm3/h 12333.5 Nm3/h 288.8 Nm3/h 2.3%Boiler Steam Flow 2.3%

Fuel Cost (in $/MWh) -Power Cost (as $/MWh) -

Make-Up Water Flow -0.1%73 m3/h 73 m3/h 0 m3/h

89.68 89.68 -100.00 100.00 -

Natural Gas Natural Gas -

150.1 t/h 146.7 t/h 3.4 t/h

6998 kW 6998 kW -

140754 kW 137533 kW 3221 kW

1998 kW 1998 kW -5000 kW 5000 kW 0 kW

0 t/yr 10 t/yr

Current Operation After Projects Reduction

Reduction After Projects0 t/yr 5074 t/yr0 t/yr 0 t/yr

Total Reduction

0 t/yr 0 t/yr 0 t/yr439 t/yr 429 t/yr 10 t/yr

Current Operation After Projects221726 t/yr 216651 t/yr

422 -1115,373 112,843 2,530

Results Summary

Current Operation After Projects

SSAT 3 Header Experts Training Example

4,380 4,380 0

Model Status : OKReduction

Reduction5074 t/yr

110,572 108,041 2,530421

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Proyecto 11 del SSAT - Intercambio de calor del venteo del tanque de condensado

Tenga en cuenta que este proyecto SOLAMENTE es posible con temperaturas de retorno de condensado > 100 °C

Modify the condensate tank vent heat recovery system?Note: An approach temperature of 10°C will be assumed for a new exchanger

Project 11 - Feedwater Heat Recovery Exchanger using Condensate Tank VentNot currently installed

No

La temperatura de retorno de condensado debería ser > 100 °C

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Puntos más importantes / Acciones recomendadas

1. Retorno de condensado

• Reduce el consumo de energía

• Reduce el agua de reposición

• reduce los productos químicos para tratamiento del agua

• Reduce el agua que va al desagüe

• Es posible que reduzca la purga

2. A menudo se descuida el la recuperación de condensado, pero puede generar ahorros energéticos significativos

3. Cuantifique la cantidad de condensado que la planta recupera usando el balance de masa de todo el sistema de vapor

4. Identifique las áreas potenciales de recuperación de condensado

43 Fuente: US DOE BestPractices Steam System Sourcebook

Recuperación - mejores prácticas habituales implementación de un programa efectivo de gestión y

mantenimiento de las trampas de vapor recuperar la mayor cantidad posible del condensado

disponible recuperar el condensado cuando su energía térmica es lo

mayor posible Evaporación súbita del condensado de alta presión para

obtener vapor de baja presión

sección 9 optimización de sistemas de vapor - … · funcionan a partir de la diferencia de ......

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