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Dimensionamiento de la línea de condensado con flash y verificación del purgador

Calcula el vapor flash que se forma después del purgador por balance de entalpía (IAPWS-IF97), dimensiona la línea de descarga por la velocidad de ese flash (FCI ST-108) y verifica si el purgador tiene diferencial y capacidad en cada condición de operación: arranque, presión mínima, carga mínima y régimen.

Cuándo usar

Úsela al proyectar o revisar el drenaje de condensado de un equipo de vapor (intercambiador, camisa, serpentín, punto de drenaje de línea) que descarga a un retorno presurizado, retorno por gravedad, tanque de flash, desaireador, colector presurizado o recibidor de retorno bombeado. La calculadora responde dos preguntas separadas. La primera es si la línea de descarga admite el vapor flash, que ocupa casi toda la sección del tubo. La segunda es si el purgador puede descargar: la presión aguas arriba debe vencer la contrapresión (presión del destino, columna de la elevación y pérdidas de la línea) en todas las condiciones, y no solo en régimen. El arranque, con el equipo cerca de la presión atmosférica y la mayor carga de condensado, y la presión mínima de operación de equipos con control modulante son donde suele faltar diferencial. La línea de drenaje líquida antes del purgador y el NPSH de la bomba de un retorno bombeado quedan fuera del alcance.

Qué resuelve esta calculadora

A la salida de un purgador el condensado sale saturado a la presión del equipo y entra en una línea de menor presión. Una parte se evapora de inmediato — el vapor flash — y ese vapor, con un volumen específico cientos de veces mayor que el del líquido, ocupa casi toda la sección del tubo. Una línea dimensionada “para agua” queda pequeña, la velocidad sube, aparecen golpe, ruido y erosión, y la contrapresión en el purgador aumenta.

La calculadora hace dos verificaciones separadas: la línea (por la velocidad del flash, FCI ST-108) y el purgador (diferencial y capacidad en cada condición de operación).

Cómo funciona el método

Clasificación del flujo. La entalpía del condensado (saturado a la presión del purgador, o subenfriado si informa la temperatura) se compara con la del líquido saturado a la presión del destino, por IAPWS-IF97. Junto con el destino declarado — retorno presurizado, gravedad, tanque de flash, desaireador, colector o retorno bombeado — esto define la naturaleza de la descarga.
Línea por el flash. Con flash, el área mínima es el caudal volumétrico del vapor dividido por el límite de velocidad (15,24 m/s por defecto), más la fracción de área del líquido. Si el líquido domina el volumen, se verifican también la velocidad del líquido (2 m/s, criterio LOGOS ajustable) y su pérdida de carga.
Contrapresión. Presión del destino + columna de la elevación + pérdidas monofásicas declaradas + ΔP bifásico cuando hay correlación válida, resueltos junto con el flash. Sin correlación válida, la fricción de la fase líquida entra como piso.
Purgador por condición. Arranque, presión mínima, carga mínima y régimen: diferencial, carga × factor y capacidad por la curva del fabricante. El peor estado es el resultado del purgador.

Resultados honestos

La calculadora prefiere decir “no evaluado” antes que aprobar con datos faltantes. La capacidad no se evalúa sin la curva del fabricante. No se emite “cumple” mientras la contrapresión no incluya el ΔP bifásico de la línea — porque el diferencial real sería menor que el calculado. El stall y la falta de capacidad (con curva monótona) son concluyentes de todos modos, porque la pérdida que falta solo empeoraría el resultado. En el retorno por gravedad parcialmente lleno, la contrapresión es la presión del destino, la columna y las pérdidas monofásicas, y el veredicto se emite normalmente.

Fuera del alcance

La línea de drenaje líquida antes del purgador, el NPSH de la bomba de condensado y el ΔP bifásico por correlaciones sin rango documentado no se calculan. Las presiones quedan limitadas a 100 bar(a), el límite de producto de LOGOS Steam (el cálculo también exige saturación líquido-vapor).

Fórmulas y fundamentos

Fracción de flash por balance de entalpía x_f = (h_entrada − h'(P_destino)) / h_fg(P_destino)

Fracción del caudal de condensado que se convierte en vapor al caer de la presión del purgador a la del destino. h_entrada = entalpía del condensado a la entrada del purgador [kJ/kg] (líquido saturado a la presión del purgador, o a la temperatura informada si el condensado llega subenfriado); h' = entalpía del líquido saturado en el destino [kJ/kg]; h_fg = calor latente en el destino [kJ/kg]. Propiedades por IAPWS-IF97. Si x_f ≤ 0 no hay flash y la línea se trata como líquida.

Área de la línea por la velocidad del vapor flash (FCI ST-108) A = ṁ_flash·v''(P_destino) / V_lim · [1 + ṁ_líq·v'(P_destino) / (ṁ_flash·v''(P_destino))]

Área interna mínima de la línea de descarga. ṁ_flash y ṁ_líq = caudales de vapor flash y de líquido [kg/s]; v'' y v' = volúmenes específicos del vapor y del líquido saturados [m³/kg]; V_lim = límite de velocidad del flash, predeterminado 3000 ft/min (15,24 m/s), ajustable. El corchete suma el área ocupada por el líquido. Las propiedades se toman a la presión del destino, donde el volumen es mayor (lado conservador). D_mín = √(4A/π).

Contrapresión del purgador P_back = P_destino + ρ_l·g·Δz + ΔP_monofásico + ΔP_bifásico(P_back)

Presión a la salida del purgador. P_destino = presión en el destino [bar(g)]; ρ_l·g·Δz = columna de condensado de la elevación hasta el punto alto del retorno; ΔP_monofásico = pérdidas declaradas de accesorios y equipos [bar]; ΔP_bifásico = fricción de la mezcla en la línea, que solo entra con correlación de rango de aplicación documentado. Flash y contrapresión se resuelven juntos. Una bajada solo reduce P_back con columna líquida continua (línea inundada o sin flash), y nunca por debajo de la presión de vapor del líquido; en una descarga bifásica no inundada se adopta Δz = 0.

Fricción de la fase líquida como piso de la pérdida bifásica ΔP_L,ref = f·(L/D)·ρ_l·v_SL²/2 ≤ ΔP_bifásico (φ_L² ≥ 1)

Con flash y sin correlación bifásica válida, la pérdida de la fase líquida con la velocidad superficial del líquido v_SL (Darcy–Weisbach, líquido saturado a la presión de la línea) entra en la contrapresión como límite inferior, porque el multiplicador de Lockhart–Martinelli φ_L² nunca es menor que 1. Sin flash, la misma expresión es la fricción real de la línea líquida. No incluye accesorios.

Diferencial y carga requerida del purgador ΔP_trap = P_purgador − P_back ; carga requerida = carga × F

ΔP_trap [bar] es el diferencial disponible en el purgador en cada condición. F = factor sobre la carga para la selección del purgador, 2 por defecto (práctica de mercado, ajustable, ≥ 1). La carga requerida se compara con la capacidad leída en la curva del fabricante (ΔP × kg/h) al ΔP de esa condición.

Velocidad del líquido cuando el líquido domina el volumen v_L = ṁ_líq·v' / A ≤ 2 m/s (si Q_líq > Q_flash)

Cuando el volumen de líquido supera al del flash (poco o ningún flash), el dimensionamiento por FCI ST-108 no basta: se verifican la velocidad del líquido contra 2 m/s (criterio de proyecto de LOGOS, ajustable) y la pérdida de carga del líquido por Darcy–Weisbach.

Normas y métodos

IAPWS-IF97 (IAPWS R7-97(2012)) — entalpías, volúmenes específicos y saturación
IAPWS R12-08 / R15-11 — viscosidad del agua y del vapor (forma industrial), usada en la fricción
FCI ST-108 (2016) — Condensate Line Sizing, Fluid Controls Institute (velocidad del flash)
IAPWS R1-76(2014) — tensión superficial (entra solo en las correlaciones bifásicas informativas)
NR-13 (Brasil) — referencia de documentación; LOGOS no realiza encuadramiento legal ni sustituye el código de construcción

Valores típicos de referencia

Magnitud	Rango típico	Observación
Límite de velocidad del vapor flash	15,24 m/s (3000 ft/min)	Valor del FCI ST-108, predeterminado de la calculadora y ajustable.
Velocidad del líquido en la descarga (cuando el líquido domina el volumen)	2 m/s	Criterio de proyecto de LOGOS, ajustable — no proviene de una referencia. También es el límite predeterminado de la descarga de la bomba en el retorno bombeado.
Spirax Sarco, Módulo 14.3 (línea de drenaje antes del purgador)	1,5 m/s y 200 Pa/m hasta 10 m; 1 m/s y 100 Pa/m por encima de 10 m	Valen para la línea líquida ANTES del purgador, que esta calculadora no dimensiona. Por eso no se usan como límite de la descarga.
Factor sobre la carga para la selección del purgador	2	Práctica de mercado adoptada como predeterminado; ajustable (≥ 1) según el estándar de la empresa.
Contrapresión por metro de elevación después del purgador	cerca de 0,1 bar/m	Columna de condensado caliente; calculada con la densidad del líquido saturado a la presión del destino.
Rugosidad predeterminada de la línea de descarga	0,045 mm	Acero comercial; ajustable para líneas existentes.

Ejemplo resuelto

Purgador de intercambiador a 7 bar(g) que descarga a retorno presurizado a 0,5 bar(g), con elevación de 4 m

Datos de entrada

Destino del condensado: Retorno presurizado -
Presión en el destino: 0,5 bar(g)
Elevación hasta el punto alto del retorno: 4 m
Pérdidas monofásicas de la descarga: 0,05 bar
Línea de descarga (Di × L): 35,04 × 30 mm × m
Régimen nominal (presión en el purgador · carga): 7 · 400 bar(g) · kg/h
Presión mínima de operación (presión · carga): 1,5 · 250 bar(g) · kg/h
Arranque (presión · carga de calentamiento): atmosférica (asumida) · 600 bar(g) · kg/h
Factor sobre la carga: 2 (predeterminado) -
Curva de capacidad del fabricante: no informada -

Resultados

Flujo en la descarga: Línea presurizada con vapor de flash -
Vapor flash en el destino (fracción): 45,5 (11,37 %) kg/h
Diámetro mínimo por flash: 34,97 mm
Velocidad del flash en la línea / límite: 15,18 / 15,24 m/s (la línea cumple)
Arranque — contrapresión · ΔP · carga × factor: 0,92 · −0,92 · 1.200 bar(g) · bar · kg/h — sin diferencial en el arranque
Presión mínima — contrapresión · ΔP · carga × factor: 0,92 · 0,58 · 500 bar(g) · bar · kg/h — capacidad no evaluada
Régimen — contrapresión · ΔP · carga × factor: 0,92 · 6,08 · 800 bar(g) · bar · kg/h — capacidad no evaluada
ΔP bifásico en la descarga: no evaluado -
Peor condición del purgador: sin diferencial en el arranque -

Al caer de 7 a 0,5 bar(g), el 11,37 % del condensado se convierte en vapor (45,5 kg/h de flash), pero el líquido ocupa menos del 1 % del volumen del flash (relación 0,0071). Por eso la línea se dimensiona por el flash: el mínimo es 34,97 mm y la línea de 35,04 mm cumple en el límite, con el flash a 15,18 m/s para 15,24 m/s. La contrapresión queda en 0,92 bar(g) — 0,5 bar del destino, más la columna de 4 m, más 0,05 bar de pérdidas declaradas y la fricción de la fase líquida como piso (0,0015 bar en régimen). En el arranque, con el equipo a presión atmosférica, el diferencial es −0,92 bar: el purgador no descarga, y la calculadora recomienda evaluar drenaje de arranque a destino seguro o bomba-purgador. En la presión mínima y en régimen hay diferencial (0,58 y 6,08 bar), pero la capacidad queda no evaluada por dos motivos: no se informó la curva del fabricante, y el ΔP bifásico de la línea no entra porque ninguna de las tres correlaciones (Friedel, Lockhart–Martinelli, Müller-Steinhagen & Heck) tiene rango de aplicación documentado para este régimen. Se calculan solo como información — aquí dan entre 0,09 y 0,22 bar — y aun con la curva el resultado no pasaría de “no evaluado”, porque el diferencial real es menor que el calculado. Observe también que la tabla del purgador muestra 40,1 kg/h de flash en régimen: ahí el flash se calcula a la contrapresión de 0,92 bar(g), mientras que la línea usa la presión del destino, de mayor volumen.

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Errores comunes

Informar la presión del colector de alimentación en lugar de la presión aguas arriba del purgador. En equipos con control modulante es menor y cae en carga parcial — ahí falta diferencial.
Dejar fuera el arranque. Con el equipo cerca de la presión atmosférica y la carga de calentamiento, la mayor de todas, un purgador que descarga a un retorno elevado o presurizado no tiene diferencial.
Dimensionar la descarga del purgador como línea de agua. El vapor flash ocupa casi toda la sección: la línea se dimensiona por su velocidad, no por la del condensado.
Olvidar la elevación después del purgador. Cada metro de subida suma cerca de 0,1 bar a la contrapresión.
Contar una bajada en la descarga como reducción de contrapresión. En una descarga con flash no inundada no hay columna líquida continua; el desnivel negativo no ayuda.
Incluir la fricción del tubo en las pérdidas monofásicas declaradas cuando la línea de descarga ya fue informada. La fricción del tubo ya se calcula; las pérdidas declaradas deben ser solo accesorios y equipos (retención, visor, filtro).
Aprobar el purgador por la capacidad de catálogo con la contrapresión incompleta. Sin el ΔP bifásico de la línea, el diferencial real es menor que el calculado y la calculadora no emite “cumple” con base en él.

Preguntas frecuentes

¿Por qué la línea de condensado se dimensiona por el vapor flash y no por el agua?

Porque el vapor flash ocupa casi toda la sección. En el ejemplo, el 11,37 % de la masa se convierte en flash, pero el volumen de líquido es menos del 1 % del volumen del vapor. La calculadora sigue el FCI ST-108: área por la velocidad del flash (3000 ft/min, 15,24 m/s por defecto) más la fracción de área del líquido, con propiedades a la presión del destino, donde el volumen es mayor.

¿Cómo afecta la elevación después del purgador a la contrapresión?

Cada metro que el condensado sube después del purgador suma cerca de 0,1 bar (columna de condensado, ρ_l·g·Δz). Una bajada solo reduce la contrapresión si hay columna líquida continua — línea inundada o sin flash — y nunca por debajo de la presión de vapor del líquido. En una descarga con flash no inundada la calculadora adopta Δz = 0 en la bajada.

¿Por qué el ΔP bifásico aparece como “no evaluado”?

La calculadora solo suma el ΔP bifásico a la contrapresión cuando la correlación tiene rango de aplicación documentado en la fuente. Friedel, Lockhart–Martinelli (forma de Chisholm) y Müller-Steinhagen & Heck se calculan, pero hoy ninguna tiene ese rango para retorno de condensado, así que los valores aparecen solo como información y el ΔP se declara no evaluado en lugar de estimado. En ese caso la fricción de la fase líquida entra como piso: el stall y la falta de capacidad siguen siendo concluyentes, pero no se emite “cumple”. Sin la línea de descarga informada (con flash y destino presurizado), el purgador también queda no evaluado.

¿Por qué verificar el purgador en el arranque y en la presión mínima, y no solo en régimen?

Porque el diferencial suele faltar fuera del régimen. En el arranque el equipo está cerca de la presión atmosférica (es la premisa cuando no se informa la presión) y la carga de calentamiento es la mayor. En equipos modulantes la presión en el purgador cae en carga parcial. ΔP ≤ 0 en el arranque es aviso de arranque (evaluar drenaje de arranque o bomba-purgador); ΔP ≤ 0 en operación es stall (evaluar bomba-purgador o reducción de la contrapresión).

¿De dónde vienen la capacidad del purgador y el factor 2?

La capacidad viene de la curva del fabricante (pares de ΔP y kg/h del modelo elegido), interpolada al diferencial de cada condición; el diferencial mínimo de operación también es dato del fabricante. Sin la curva, la capacidad queda “no evaluada” — la calculadora no inventa datos de catálogo. La carga requerida es la carga de condensado por el factor de selección, 2 por defecto (práctica de mercado), ajustable. Fuera del rango de la curva la capacidad se extrapola de forma conservadora y se señala.

¿La calculadora dimensiona el retorno bombeado y el NPSH de la bomba?

En el retorno bombeado el purgador descarga en el recibidor (venteado, 0 bar(g), si no se informa la presión), y la contrapresión del purgador viene del recibidor, la elevación y las pérdidas hasta él — no de la presión de descarga de la bomba. La descarga de la bomba se verifica aparte por el caudal máximo de la bomba, por velocidad (2 m/s predeterminado LOGOS) y pérdida de carga. El NPSH de la bomba no se calcula; la calculadora solo informa el subenfriamiento en la succión y advierte verificar el NPSH disponible.

Glosario

Vapor flash: Vapor que se forma cuando el condensado caliente cae de la presión del purgador a una presión menor; la fracción sale del balance de entalpía entre las dos presiones.
Contrapresión del purgador: Presión a la salida del purgador: presión del destino, más la columna de condensado de la elevación, más las pérdidas de la línea de descarga.
Diferencial en el purgador (ΔP): Presión aguas arriba del purgador menos la contrapresión. El purgador solo descarga con ΔP positivo.
Stall: Condición de operación en la que la presión en el purgador no vence la contrapresión (ΔP ≤ 0): no hay diferencial suficiente para descargar por el purgador convencional.
Bomba-purgador: Alternativa señalada por la calculadora cuando falta diferencial para un purgador convencional, en el arranque o en stall.
Línea inundada: Descarga con columna líquida continua. Solo en ella una bajada reduce la contrapresión, limitada a la presión de vapor del líquido.
Factor sobre la carga: Multiplicador de la carga de condensado para la selección del purgador; 2 por defecto, ajustable.
Recibidor: Recipiente del retorno bombeado donde descarga el purgador; la bomba impulsa desde ahí al destino final.