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Termocompresores

Diseño , Operación y Consideraciones Energéticas

Componentes del Termocompresor

Entrada de Vapor de Succión

Entrada de Vapor Motriz Descarga de

Vapor Motriz

Expande parala descarga a

la presióndeseada

Mezcla acelarapara altavelocidad

Actuador

Ecuación de Bernoulli

( ) ( )

Velocidadde PresiónρV21

VelocidadV Estática PresiónP

V21PV2

1P

2

22

1

2211

=

==

+=+ ρρ

Como la presión es reducida, la velocidad debe aumentarVapor motriz expande de la aguja para alta velocidad

Como la presión es reducida la velocidad debe aumentarVelocidad es reducida en el difusor para descarga, la

presión es mayor

Perfil de Velocidad

Vapor motrizBaja Velocidad

Vapor de SucciónBaja Velocidad

Jacto motrizVelocidad muyalta

Cámara de mezclaAlta Velocidad

Cámara de expansiónVelocidad cae

¿Cómo trabaja?

Presión descargaBaja Velocidad30 mps

Razones de Diseño

Pm = Presión Motriz

Mm = Flujo Motriz

Ps = Presión Succión

Ms = Flujo Succión

Pd = Presión de Descarga

Md = Flujo de Descarga= Ms + Md

M

S

S

D

S

M

MM consumo de Razón

2PPCompresión de Razón

1.4PPExpansión de Razón

=

≤=

≥=

P = Presión Absoluta

Razon de Consumo

• 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 eficienciadel diseño)

• Tamaño de la garganta (superdimensionada es malo)

Motriz VaporMasa de FlujoSucción de VaporMasa de Flujo

MM Consumo de Razón

M

S ==

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Aplicación en Secado de Papel

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 diseñodel 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

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 motrizrequerido

• Diámetro de la Garganta esdeterminado por el punto de la menorpresión 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 presiónde descarga y velocidad

“Sobre el Top”

• Termocompresores no son normalmente proyectadospara un punto de operación en las aplicaciones de secadode 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”

Diseño del Termocompresor

“Sobre el top” a bajaspresiones. Normalmentellamado “Flujo de Choque”

“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”

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Consideraciones Energéticas

Consideraciones Energéticas

• Vapor de media / alta presión es caro– Vapor motriz no pasa por las turbinas para generar electricidad

HP Boiler

PRV

Condensate return

Blow through steam

850 psi steam

400 psig

PM DRYERS

Generator Turbine

165 psig

65 psig

Misc. MillSteam Users

HP Boiler

PRV

Condensate return

Blow through steam

850 psi steam

400 psig

PM DRYERS

Generador TurbineTurbina

165 psig

65 psig

Misc. MillSteam Users

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

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 unaherramienta esencial– Tecnología moderna junto con la vieja “arte”

Proyecto del TermocompresorConversiónineficiente de energiía

Proyecto Convencional

Alta velocidad en la área de mezcla resulta en más energíacinética disponible paraconversión para presión

Proyecto Kadant Johnson de Alta Eficiencia

Modelo CFD

TC con una no óptimaintroducción de vapor de

succión y descarga del tactomotriz

TC con una óptima configuración

• Razón de consumo mejora en 20%

• Menos vapor motriz requerido

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

Comparación caso histórico6" TC Projection by CFD Analysis

at Pm=390, Ps=108, Pd=120

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

0 2000 4000 6000 8000 10000

PPH Motive

PPH

Suc

tion Design A

Design flowDesign flowDesign B

Note: This unit is sized for Pm=390, Ps=13, Pd=30 @ 8500 PPH as well.

Kadant Johnson

Traditional North American

Pressures In Psia

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

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Termocompresores TipoBOOSTER

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 presióndel header

• Termocompresores tipo Booster aumentan la presión de losgrupos 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

Sistema típico de Termocompresor

Booster

Sistema de Termocompresor Tipo Booster

Máquina de Papel Fino con TC tipoBooster

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

Termocompresor tipo Booster

20” TC Russo

24” TC Colombia

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