Descripción del dispositivo experimental construido para el estudio del proceso de
DEPÓSITO D1BVG
By-pass PT1 B AD1 TP1 P1 VC VCV L1 RD1 V4 V1 V3 V2 RG1 RG2 PT3 PT13 VB VA PT2 P2 GENERADOR L2 V9 N2 N2 AGITADOR 1 AGITADOR 2 VD1 P3 DEPÓSITO D1 BVG By-pass PT1 B AD1 TP1 P1 VC VCV L1 RD1 V4 V1 V3 V2 RG1 RG2 PT3 PT13 VB VA PT2 P2 GENERADOR L2 V9 N2 N2 AGITADOR 1 AGITADOR 2 VD1 P3
Figura 5.31. Componentes que intervienen en el procedimiento de llenado del generador.
5.6.2.4. Ajuste de la concentración de la solución
Una vez que la solución de nitratos alcalinos se encuentre dentro del generador, se inicia el proceso para fijar las condiciones de ensayo requeridas. En primer lugar, para fijar la concentración de la solución, se debe retirar agua de la solución contenida en el generador si se requiere concentrar la solución, o añadirle agua para diluirla, para lo cual se dispone del depósito D2.
En el caso de que se requiera concentrar la solución, se deben seguir los siguientes pasos (figura 5.32):
1.- Vaciar el depósito D2 a través de su válvula de drenaje VD2 y realizar vacío en este
depósito (Ver procedimiento de generación de vacío en el depósito D2).
2.- Cerrar las válvulas V2, V5, V6, V8 y V9.
3.- Calentar la solución contenida en el generador y abrir la válvula VCV para introducir
el vapor generado al absorbedor.
4.- La solución permanece sin circular (la bomba de solución apagada), con esto se consigue que entre únicamente vapor de agua al absorbedor.
5.- Mantener operativo el circuito de agua de enfriamiento del absorbedor. El agua de enfriamiento hace condensar el vapor de agua (refrigerante) el cual se almacena en el depósito D2.
6.- Abrir las válvulas V7 y V10.
6.- Al retirar la cantidad de agua necesaria, cerrar la válvula V10 y abrir las válvulas V2, V5, V8 y V9.
2.- Añadir agua destilada al depósito D2 a través de la toma AD2.
3.- Presurizar el depósito D2. Para ello, se conecta el recipiente contenedor de N2 al
deposito D2, a través de la toma BVD2 y se introduce nitrógeno manteniendo las
válvulas VD y VE abiertas.
4.- Abrir la válvula V10 para introducir el agua requerida al circuito de solución.
PT6 P4 VD VE AD2 V10 DEPÓSITO D2 BVD2 N2
Figura 5.32. Componentes que intervienen en el procedimiento de dilución de la solución.
5.6.3. Puesta en marcha del equipo
El procedimiento de puesta en marcha del dispositivo experimental una vez sea comprobada la estanquidad del equipo y la solución se haya cargado al generador, los pasos para realizar los ensayos son:
1. Encendido de las resistencias eléctricas y sistema de agitación del generador. Se fija la temperatura de solución que corresponda a la presión de vapor a la cual se desea realizar los ensayos. Esto se realiza a través del PID ubicado en el panel de control. 2. Puesta en marcha de la bomba de solución y encendido del sistema de control de temperatura de la solución a la entrada absorbedor.
3. Encendido del circuito de agua de enfriamiento del absorbedor. Se activa el sistema de control de temperatura del agua de enfriamiento a la entrada absorbedor mediante el ajuste de las condiciones de operación del intercambiador de calor IC2 y el baño termostático BT2.
4. Registro y almacenamiento de los datos de operación del absorbedor. Las lecturas a tomar son:
Presiones del absorbedor y generador (TP2 y TP1).
Temperaturas del generador (PT2 y PT3). Mediante la lectura de la presión del generador y la concentración de la solución se determina la temperatura de equilibro de la solución, si es diferente a la temperatura en el generador (PT2 y PT3), indica que existen incondensables en el sistema.
Temperatura de salida de la solución del baño termostático BT1 (PT8). Esta variable es importante, ya que si la solución se encuentra a una temperatura baja, cristalizaría riesgo de cristalización.
Temperaturas de entrada y salida del agua de enfriamiento del absorbedor (PT10 y PT12). Si el proceso de absorción de vapor se esta llevando a cabo se debe evidenciar un gradiente de temperaturas entre la entrada y salida del agua de enfriamiento.
Temperatura de entrada y salida de la solución en el absorbedor (PT4 y PT5). Se puede comprobar las variaciones en la temperatura de solución a la salida, en función de las condiciones de operación.
Caudales másicos de solución y caudal volumétrico de agua de enfriamiento. Temperatura del vapor a la entrada del absorbedor (PT4).
5. El régimen estacionario se comprueba cuando las variaciones de temperatura en el absorbedor son constantes (del lado del agua y del lado de la solución). El periodo aproximado para conseguir el régimen estacionario es de 30 min. Una vez llegado al estado estacionario, se registraron las variables de operación.
5.6.4. Parada del dispositivo experimental
Al finalizar los ensayos experimentales, se ha seguido un cuidadoso procedimiento de parada para evitar la cristalización de la solución en las tuberías y componentes del dispositivo experimental. Los pasos a realizar a la hora de parar la operación del dispositivo experimental son:
1.- Detener el funcionamiento del circuito de agua de enfriamiento del absorbedor. 2.- Cerrar la válvula del circuito de vapor Vcv.
3.- Apagar la bomba de solución y cerrar la válvula V2. 4.- Cerrar las válvulas V5 y V7.
5.- Apagar las resistencias RG1 y RG2 y el agitador del generador, y cerrar la válvula V9
6.- Añadir 15 litros de agua destilada al depósito D1, y activar la resistencia RD1.
7.- Hacer vacío en el depósito D2 (Ver procedimiento de generación de vacío en el
depósito D2).
8.- Cuando la temperatura del agua en el depósito D1 supere los 50ºC, cerrar las
válvulas V6 y V8 y abrir V1, V5, V7 y V10. Encender la bomba y fijar la velocidad en el regulador digital a 3 kg.h-1. El caudal de agua atraviesa el circuito de solución, pero al salir del absorbedor fluye hacia el depósito D2. Dejar circular durante 5 min, y observar
el nivel de L1 y L2.
5.6.5. Vaciado del equipo
Al finalizar el trabajo experimental se procede a vaciar completamente la instalación. 1.- Diluir la solución a una concentración en sales 70% (ver procedimiento de fijar concentración).
2.- Seguir el procedimiento de parada del equipo experimental, para aislar la solución en el depósito del generador manteniendo la temperatura del generador a 60ºC.
3.- Disponer de recipientes para almacenar el volumen de la solución, que resista temperaturas del orden de 60ºC y colocar la manguera de drenaje en la boca del recipiente.
4.- Apagar las resistencias RG1 y RG2 e inmediatamente abrir la válvula de drenaje del
5.7. Experiencia operacional
En esta sección se comenta la experiencia que se ha adquirido durante los ensayos experimentales de la instalación y se dan algunas recomendaciones para realizar mejoras en el dispositivo experimental.
5.7.1. Fugas y vacío
La generación de vacío fue una de las principales complicaciones que se encontró en este trabajo, y es un problema común en sistemas que trabajen a bajas presiones. Como se ha comentado anteriormente, en estos sistemas el proceso de absorción de vapor se ve seriamente perjudicado por la presencia de incondensables. En consecuencia, es importante disponer de una bomba que permita realizar el máximo vacío posible y tener así la mínima presencia de gases incondensables. En este sentido, la bomba disponible utilizada, ha resultado ser un poco limitada, ya que no ha podido bajar nunca de 5 mbar. Es recomendable, por tanto, disponer de una bomba que pueda llegar a mayores niveles de vacío para trabajos futuros en esta línea de investigación.
En la fase previa de detección de fugas se recomienda la utilización de detectores de fugas de Helio. Esto puede facilitar el tedioso proceso de detección de fugas.
5.7.2. Corrosión
Durante la realización de los ensayos no se ha observado corrosión en ninguno de los elementos del montaje experimental. Se ha podido comprobar que la solución de nitratos alcalinos no es corrosiva a las condiciones de operación de estos ensayos. Sin embargo, en la cámara del absorbedor se ha observado el desprendimiento o picaduras de las capas superficiales de recubrimiento de temperatura. Esta pintura, como fue mencionado anteriormente, sirve de protección a la superficie interna de la cámara del absorbedor cuyo material de construcción es acero al carbono.
5.7.3. Cristalización
La cristalización fue la complicación más relevante en la operación de la planta. Las condiciones de operación definidas para esta planta implicaban altas concentraciones de sal y altas temperaturas. Aunque en la planificación se habían tomado medidas especificas para evitar la cristalización, las altas pérdidas de calor que se produjeron en las tuberías (durante el invierno), favorecían considerablemente la cristalización de la mezcla.
La solución de nitratos alcalinos cristalizó y bloqueó varias líneas a lo largo de la fase de experimentación, sobre todo en las etapas de arranque y de ajuste de condiciones operativas. La figura 5.33 muestra una de las tuberías removidas por la obstrucción de la sal cristalizada. El problema de cristalización durante la operación de la planta, provoca en casi todas las veces una parada del equipo para remover el tapón de sal. En otras ocasiones, el problema se solventó sin remover las tuberías, pasando un soplete por la línea. Por ello, se recomienda que se tenga un sistema automático que controle en todo momento el margen de seguridad para evitar la cristalización y que actúe aumentando la
temperatura o diluyendo la solución cuando se evidencie el riesgo de cristalización de la sal.
Figura 5.33. Fotografías de las obstrucciones en las tuberías por la cristalización de la sal.
5.8. Conclusiones
El dispositivo experimental diseñado y construido ha permitido el estudio del proceso de absorción de vapor de agua por una película descendente de la solución acuosa de nitratos alcalinos. El dispositivo experimental tiene la capacidad de funcionar de manera continua y permite realizar el análisis de sensibilidad de las variables de operación: caudal de agua de enfriamiento y caudal másico de solución, temperatura de entrada del agua de enfriamiento y de la solución, presión del absorbedor y concentración de la solución.
En los diversos materiales utilizados en el montaje de la instalación experimental (acero inoxidable, vidrio, juntas, etc.) no se han evidenciado síntomas de degradación o corrosión.
Por otra parte, se evidenciaron serios problemas de cristalización en varios puntos del circuito de solución en las etapas de arranque y parada de la planta.
Un estudio sistemático del sistema de distribución de solución, permitió identificar la configuración del distribuidor de solución que proporciona una distribución homogénea y uniforme de solución a lo largo del haz de tubos del absorbedor.