Purgadores termostaticos. Funcionamiento

El funcionamiento de los Purgadores termostaticos, básicamente puede explicarse de este modo; cuando viajamos en tren todos hemos notado el golpeteo rítmico que producen las ruedas. Esto se debe a que los tramos de los raíles están separados, con el fin de compensar las dilataciones cuando la temperatura es elevada. si pudiéramos medir esta separación, en invierno seria mucho mayor que en verano, ya que cuando la temperatura es baja hay una contracción de los raíles y cuando la temperatura es elevada se produce una dilatación de los mismos.

Algo parecido sucede en el interior de un purgador termostático. Cuando la temperatura es elevada hay una dilatación y cuando es relativamente baja, hay una contracción. Los purgadores de tipo termostático se dividen en dos grupos:

• De presión equilibrada.
• De expansión, bien sea liquida o metálica.

Funcionan sobre la base de la diferencia de temperaturas existente entre el vapor y el condensado, ya que a una presión determinada el vapor saturado tiene una temperatura fija; pero no el condensado a la misma presión, aunque tiene la misma temperatura que aquél, se enfría rápidamente a temperatura por debajo de la del vapor.

La válvula es accionada por un "elemento termostático" que puede ser de expansión liquida, de expansión metálica o de presión equilibrada.

PURGADOR TERMOSTÁTICO DE PRESIÓN EQUILIBRADA

También llamados purgadores de fuelle, como se puede ver en la figura, el elemento termostático "A" está fabricado a partir de un tubo de metal corrugado, que puede dilatarse o contraerse longitudinalmente. Este tubo corrugado, esta cerrado por ambos extremos. En uno de los extremos del tubo esta colocado el obturador de la válvula B, que asienta perfectamente sobre el orificio C, cuando el elemento se dilata. El otro extremo del elemento termostático esta sujeto, lo que hace que todos los movimientos de dilatación y contracción actúen en el extremo libre del obturador B.

El tubo corrugado o elemento termostático contiene en su interior una mezcla alcohólica que tiene un punto de ebullición mucho mas bajo que el del agua. Si la mezcla alcohólica se calienta a la misma temperatura que el vapor (que corresponde a la temperatura de ebullición del agua, a una determinada presión), se produce dentro del elemento termostático una presión superior a la del vapor que lo rodea Por lo tanto el elemento se dilata hasta que el obturador de la válvula B hace tope en el orificio C, cerrando esta salida. A partir de ese momento, la presión en el interior del elemento mantendrá firmemente el obturador contra el asiento del orificio, y por lo tanto la válvula cerrada, hasta que la mezcla alcohólica se enfríe y permita que el elemento se contraiga, facilitando la salida del condensado.

El purgador trabaja del siguiente modo; cuando la instalación esta fría, la válvula del purgador esta totalmente abierta. Al dar vapor a la instalación, este empuja el aire, que llega al purgador y sale rápidamente a través del orificio de salida C, el condensado frío seguirá al aire, a continuación llegara condensado frío, que entrara en el purgador y también saldrá al exterior por el mismo lugar, ya que la válvula permanece abierta.

Cuando el condensado comienza a adquirir temperatura, al estar en contacto con el elemento termostático, habrá una transferencia de calor a la mezcla alcohólica que llena el elemento “A”; antes de que el condensado haya alcanzado la temperatura del vapor, la mezcla alcohólica ha llegado a su punto de ebullición, en ese momento comienza a producirse vapor de alcohol, que hace aumentar la presión interna del elemento termostático, hasta que llega al punto en que es superior a la presión que hay en el cuerpo del purgador, el elemento termostático A, se dilata y ajusta el obturador B contra su asiento C, la válvula del purgador se cierra y el vapor que llega siguiendo al condensado, no puede salir.

Cuando el condensado que llena el cuerpo del purgador se enfría, también enfría a la mezcla alcohólica del interior del elemento, con lo cual se condensa su vapor, y con ello disminuye la presión que mantiene el obturador B cerrado sobre C, el elemento termostático se contrae, el cierre se abre y el condensado es descargado, quedando en condiciones de reiniciar el ciclo.

La presión del vapor no influye en el funcionamiento del purgador (dentro de unos límites). Lo que hace funcionar al purgador es la diferencia entre la presión interior de la cápsula termostática (provocada por la vaporización de la mezcla alcohólica), y la exterior a dicha cápsula, provocada por la mezcla de vapor y condensado. Si el condensado se mantuviera siempre a la misma temperatura que el vapor, el elemento termostático permanecería dilatado y el purgador no se abriría, pero el condensado se enfría unos grados por debajo de la temperatura del vapor, lo que permite que la válvula quede abierta y el agua condensada saldrá a través de ella; es decir el purgador se ajusta automáticamente a la variación de presión, lo que no sucede con los purgadores termostáticos de tipo mecánico.

En algunos modelos, el elemento termostático ha sido sustituido por una cápsula como se aprecia en la figura anexa.

Las características de operación de este tipo de purgadores, son las siguientes:

• Es de tamaño muy reducido y tiene gran capacidad para salida de condensado.
• Cuando el elemento termostático esta frío, la válvula está completamente abierta. Esto significa: 1° Que el purgador puede eliminar el aire fácilmente, tanto al comienzo del funcionamiento, como durante el resto del proceso de trabajo. 2° Cuanto mayor sea la cantidad de condensado que llega al purgador, mayor será la capacidad de purga del mismo. 3° Es resistente a las heladas, cuando trabaja al exterior, a menos que el condensado deba ser elevado, sobre el nivel del purgador, y el agua pueda retornar a él.
• Es de fácil mantenimiento, ya que en cualquier momento se puede sustituir el elemento termostático y la válvula, quedando el purgador en las mismas condiciones que cuando se compró. Para realizar esta operación, no es necesario desmontar el purgador de la línea.
• El tipo de descarga es cíclico.
• La capacidad de descarga, es la misma en frío y caliente.
• Pueden dañar seriamente el elemento termostático, construido de material flexible: Los golpes de ariete. El condensado que arrastre materias corrosivas.
• Cuando se presenta cualquiera de estas condiciones, no es aconsejable.
• No es apropiado con vapor recalentado, ya que el exceso de temperatura de éste, producirá en el interior del elemento una presión, que no quedará equilibrada por la presión y como consecuencia, el elemento termostático resultará dañado.
• Permite una pequeña presión diferencial.

En resumen; son pequeños, ligeros y tienen una gran capacidad en comparación con el tamaño, está totalmente abierto en el arranque, permitiendo la salida de aire y proporcionando la máxima salida de condensado cuando más necesario; no está expuesto a heladas; la cápsula se puede reemplazar y reponer en pocos minutos, sin sacar el purgador de la línea.

PURGADOR TERMOSTÁTICO DE EXPANSIÓN LIQUIDA

Este es el único, de entre todos los purgadores descritos, en que el condensado tiene la entrada por la válvula. El dibujo siguiente muestra una sección típica de este tipo de purgador, como se ve, dentro del cuerpo del purgador hay un cilindro, cerrado en un extremo y tiene un pequeño orificio en el otro; a través de éste orificio pasa una varilla E en la que está fijado un pistón D. En el otro extremo de la varilla va montado el obturador F, de la válvula, que cierra el orificio A, de entrada del condensado.

Un tubo de metal corrugado B, va desde el pistón, hasta el extremo que sostiene la válvula, formando una cámara cerrada dentro del cilindro. El espacio C que queda entre el tubo corrugado y la pared interior del cilindro C, está lleno de un aceite térmico especial.

Veamos lo que sucede cuando se instala un purgador de este tipo, en una instalación de vapor:

• Se da vapor a la instalación. La válvula está completamente abierta y el aire que llenaba la red de tuberías, entra en el purgador y sale sin impedimentos. Posteriormente llega el condensado frío, que se va haciendo paulatinamente más caliente, el cual se descarga también sin problemas.
• Al aumentar la temperatura del condensado, este calienta el aceite (hay muy poco volumen de aceite y una gran superficie de transmisión de calor). El aceite se dilata y produce una presión sobre el pistón D, el cual comprime al tubo flexible B y arrastra al eje E, acercando el obturador F de la válvula, contra su asiento A; a cierta temperatura, la dilatación del aceite habrá colocado el obturador de la válvula tan cerca de su asiento, que solamente entrará en el purgador un ligero goteo de condensado.

Este purgador se acomoda a la cantidad de condensado que se tenga que evacuar, ya que sí la cantidad aumenta, el condensado queda retenido durante algún tiempo dentro de la instalación y se enfría, produciendo una disminución de presión en el aceite y abriendo la válvula. Si el condensado disminuye, aumenta su temperatura por estar más en contacto con el vapor y esto produce un aumento de presión en el aceite, aproximando la válvula a su asiento.

Este tipo de purgador se puede ajustar en pleno periodo de funcionamiento, por medio del regulador G, acercando o alejando el obturador F a su asiento, para que cierre a la temperatura deseada (dentro del margen del purgador) en función de las necesidades del equipo que debe ser drenado; con objeto de que el condensado sea evacuado, la temperatura de descarga se suele fijar normalmente en 100° C. Este es un punto muy importante a tener en cuenta, como se ve, al considerar las características de funcionamiento del purgador.

Las características de operación de este tipo de purgadores, son las siguientes:

• Puede descargar el condensado a la temperatura deseada, incluso aunque sea muy baja. Hay una serie de procesos de calentamiento por vapor en los que no es necesario descargar el condensado tan pronto como se forma (se verán algunos ejemplos más adelante). En estos procesos, este purgador economiza vapor, al utilizar parte del calor sensible del condensado.
• En algunos casos, el purgador sirve para evitar sobrecalentamientos, ajustándolo de manera que retenga el condensado hasta que haya perdido parte de su temperatura, lo que origina una inundación parcial de la instalación y el que se reduzca la superficie de transmisión. Sin embargo, esto no dejará que el condensado se enfríe más de lo conveniente, ya que entonces, se abrirá la válvula y permitirá que salga al exterior.
• Una vez ajustado el purgador trabaja automáticamente.
• Es capaz de evacuar el aire de la instalación y no corre peligro de helarse, a no ser que a la salida del purgador la tubería se eleve de nivel, lo que haría que el agua retornara dentro del cuerpo del purgador cuando se corta el vapor.
• Su capacidad de descarga es mayor cuanto más frío esté el condensado, tal como sucede en la puesta en marcha de las instalaciones.
• Se puede utilizar para: Vapor recalentado. Presiones de hasta 16,5 Kg/cm2.
• No resulta afectado por: Las vibraciones y los cambios bruscos de la presión. Golpes de ariete
• El tubo flexible B, puede ser dañado, si el condensado arrastra materias corrosivas.
• Cuando hay variaciones muy rápidas y bruscas en la presión del vapor, el elemento termostático de este tipo de purgador, no reacciona tan rápidamente a los cambios de temperatura, como el del purgador de presión equilibrada. Este inconveniente se puede evitar con una instalación adecuada, como veremos más adelante.
• Es muy adecuado para eliminar el aire en líneas de distribución de vapor.

PURGADOR TERMOSTÁTICO DE EXPANSIÓN METÁLICA

Este es una variedad de purgador de dilatación metálica, en el cual, el movimiento de la válvula se obtiene por la curvatura de una tira compuesta de dos metales, cada uno de los cuales tiene un coeficiente de dilatación distinto a una temperatura determinada (bimetal). En esencia es una mejora del viejo tipo Bourdon que estaba en uso a principios de siglo.

La expansión bimetálica es la que provoca la operación del purgador; en este tipo, el movimiento de la válvula se obtiene por el pandeo de una lámina compuesta de 2 metales que se dilatan una magnitud diferente cuando se calientan; si dos láminas delgadas o dos discos de dos metales, convenientemente elegidos, se unen firmemente y se les somete a un aumento de la temperatura, tomarán una forma curva como se ve la figura adjunta; el metal que se expansiona más ocupara la parte externa de la curva; cuando se enfría el conjunto, se recupera la posición inicial.

Este movimiento del bimetal al variar de temperatura, puede aprovecharse para accionar la válvula de un purgador, de forma que al enfriarse el condensado abra la válvula y lo descargue, mientras que el vapor provoque el cierre.

La cantidad de movimiento que puede ser obtenida por variación de un grado de temperatura, en una varilla metálica, es mucho menor que en el caso del aceite; por ello; el de expansión metálica no tiene un funcionamiento tan flexible como el de expansión liquida; para obtener un movimiento apreciable, la varilla metálica debería tener 1,0 m. de longitud; por lo que no se utiliza.

El dibujo precedente muestra un esquema muy simple de este tipo de purgador. Un extremo de la lámina bimetálica está fijo al cuerpo del purgador, y el extremo opuesto está unido a la válvula.

Si se calienta el bimetal (llega vapor) el extremo libre se se curva, o desplaza hacia abajo, cerrando la válvula. Si el condensado llena el cuerpo del purgador y empieza a enfriarse el bimetal recobra la posición horizontal y abre la válvula, descargando el condensado.

Hay que tener en cuenta dos puntos importantes respecto a este purgador bimetálico:

• El bimetal se curva a una cierta temperatura fija, de tal manera que el purgador abre y cierra a una temperatura determinada independientemente de las presiones del vapor (y de su temperatura). En la práctica esto se cumple sólo aproximadamente porque hay una influencia de la presión sobre la válvula de cierre.
• Cuando el obturador apoya en su asiento, la presión de vapor en el interior del purgador actúa sobre él, para mantenerlo cerrado, es decir; el bimetal trabaja bien en el sentido de cerrar la válvula al curvarse por calentamiento, porque no encuentra oposición para cerrar, cuando se dilata por calentamiento, pero cuando el condensado lo enfría, tiene mayores dificultades en abrir la citada válvula ya que debe vencer la presión del vapor. Esto significa que el condensado debe enfriarse considerablemente antes de que la válvula pueda volver abrirse, lo que puede provocar el anegado parcial de la línea, y el consiguiente peligro de provocar inundación en los espacios de vapor.

Por otro lado, la fuerza ejercida por una simple tira de bimetal es reducida, y como consecuencia se debe utilizar en el movimiento del obturador, una masa notable de bimetal y por ello tardará más tiempo en reaccionar a los cambios de temperatura, para mover el obturador de la válvula, desde todo abierto a todo cerrado. Se ha trabajado mucho para solventar estos inconvenientes en el purgador bimetálico, usando varios diseños para la configuración de bimetales y válvulas, como se aprecia en las figuras siguientes.

Los dibujos anteriores muestran un diseño en el que la válvula está en la parte exterior del orificio de salida, en lugar del interior. Aquí el bimetal acciona la válvula por medio de un vástago que atraviesa el orificio de la válvula. Esto permite que la presión del vapor tienda a mantener la válvula abierta.

Como la presión del vapor de baja, es a 7 Kg/cm2, si se ha ajustado el purgador de tal forma, que cuando a esta presión el vapor rodea el elemento bimetálico, éste se expande y cierra. Cuando llega condensado algo más frío, el purgador abrirá rápidamente, ya que en este caso la presión del vapor ayudará abrir la válvula. Si cambian las condiciones del vapor, ocurre lo siguiente; si aumenta la presión, aumentará la fuerza con que el bimetal cierra la válvula, pero al mismo tiempo aumentará la fuerza del vapor que tienda a abrirla. Lo contrario ocurre si se disminuye la presión. Vemos pues que con esta nueva disposición hemos conseguido un funcionamiento parecido al de presión equilibrada, aunque no se ajusta ni mucho menos tan exactamente como aquel a los cambios de presión.

El purgador bimetálico de la figura central del dibujo anterior (basado en la serie SM de SARCO) resuelve el problema del cierre total por medio de una válvula de flujo descendente, que no necesita ajuste para las diferentes presiones del vapor, debido al diseño especial de su elemento bimetálico, mostrado como la figura izquierda del citado dibujo anterior; este consta de cuatro aspas superpuestas de seis brazos dobles, separados entre sí, con el fin de que la superficie de calefacción sea la máxima posible, con lo que se obtiene una repuesta rápida a los cambios de temperatura. Los brazos están unidos por sus extremos para lograr movimiento ascendente cuando se dilatan por el calor del vapor.

Los brazos de las aspas tienen distinta longitud y anchura, su razón es la siguiente; cuando la presión del vapor es baja, también es baja la temperatura y entonces actúan solamente los brazos más grandes, ya que como tienen mayor longitud son los que se curvan primeramente, siendo suficiente su esfuerzo para conseguir cerrar la válvula, venciendo la resistencia que opone la presión del vapor. Cuando aumenta la presión, lógicamente aumenta la temperatura y en este momento actúan también los brazos menores (que necesitan más calor para curvarse), y suman su esfuerzo a los otros para lograr contrarrestar la presión del vapor, que tiende a mantener la válvula fuera de su asiento.

De esta forma el elemento bimetálico efectúa mas o menos fuerza según aumenta o disminuye la presión del vapor, automáticamente, sin necesidad de reajustes posteriores al que se efectúa en fábrica.

Otra disposición es la que usa un número determinado de discos bimetálicos en combinación con un muelle que absorbe parte del movimiento que se produce cuando los discos flexionan; cuando ya no se puede comprimir más el muelle, cualquier movimiento del bimetal se transmite directamente a la válvula. Un purgador bimetálico de cualquiera de estos dos tipos puede ser reajustado manualmente si las condiciones varían mucho en relación con la del tarado inicial.

Las características de operación de este tipo de purgadores, son las siguientes:

• Es de tamaño reducido para su gran capacidad de descarga de condensado.
• Cuando está frío la válvula queda completamente abierta, lo que significa que el aire es eliminado fácilmente en el momento de la puesta en marcha y también que la capacidad de descarga de condensado es mayor precisamente en el momento en que se produce más cantidad del mismo.
• Es resistente a las heladas, debido al diseño del cuerpo y a su descarga libre en la salida, no puede helarse cuando trabaja a la intemperie.
• Soporta el golpe de ariete y el condensado corrosivo, mejor que los purgadores de presión equilibrada.
• En general pueden trabajar dentro de una amplia gama de presiones de vapor, sin necesidad de cambiar el diámetro del asiento de la válvula, aunque la posición de la válvula necesitará ajustarse, según el rango de presión diferencial.
• Algunos modelos de SARCO, no necesitan distintos asientos para las diferentes presiones, ni precisan ajustes de la posición de la válvula. Se entregan ajustados para que descargue el condensado 28° C por debajo del punto de saturación del vapor, independientemente de la presión. Esto los hace especialmente aptos para algunos trabajos en los que se precisa aprovechar parte del calor sensible del condensado, y evitar la revaporización, suelen incluir un filtro de acero inoxidable, incorporado en el propio purgador, como se ve en el dibujo precedente.
• En el modelo reflejado en el dibujo, pueden sustituirse el elemento bimetálico, la válvula y su asiento, sin necesidad de retirar el purgador de la lineal lo que representa una gran facilidad para su mantenimiento. También puede soldarse a la tubería.
• Al tener la válvula en la parte exterior actúa como válvula de retención.
•  No responden con rapidez a los cambios de caudal o de presión, debido a que el bimetal tarda un tiempo, en acusar los cambios de temperatura.
• Descarga el condensado por debajo de la temperatura del vapor; por tanto, si se quiere evitar la inundación, se debe instalar antes del purgador un tramo de tubería de refrigeración.
• Cuando el purgador descarga a una línea de retorno con contrapresión (presión diferencial), el condensado deberá enfriarse más, para que abra la válvula de descarga.
• Si varía la contrapresión, se requerirá un reajuste del purgador.
• No es recomendable su instalación, en procesos donde se requiera una rápida descarga del condensado, para obtener el máximo rendimiento.
• Tiene como factor de desgaste, la suciedad en el bimetal, que producirá retrocesos.
• En resumen, los purgadores bimetálicos son pequeños en tamaño y, tienen una gran capacidad de descarga de condensado; la válvula de salida está abierta cuando el purgador está frío, lo que da gran
• capacidad de drenaje del aire y del condensado en los arranques, que es cuando más se necesita; pueden resistir golpes de ariete, condensados corrosivos, presiones de vapor elevadas y vapor sobrecalentado. El obturador del orificio de salida, actúa como válvula de retención y evita el flujo inverso a través del purgador.