Eyectores

Indice
1.
Introducción
2.
Eyectores


4.
Termocompresores
5. Limitaciones para su
utilización
6. Conclusiones
7. Bibliografía

1.
Introducción

La caña de azúcar
es una gramínea sembrada en todos los continentes que
ofrece no tan solo alimentos sino
también combustible y energía renovables anualmente
y sin afectaciones al medio
ambiente. La tecnología industrial
empleada permite la disponibilidad de materias primas para
diversas producciones que junto con la producción de energía, elevan el
valor agregado
del azúcar, principal producto
obtenido de esta agroindustria.
La Industria
Azucarera Cubana, en estos últimos años ha estado
sumergida en un proceso de
rehabilitación y crecimiento
económico con el objetivo
fundamental de aumentar la calidad de las
producciones y una disminución en los costos de las
mismas para poder competir
en un mercado
abarrotado de azúcar de alta calidad a muy bajos precios.
En esta estrategia el
mayor peso lo lleva el aumento de la producción
cañera y los trabajos en la calidad y los costos del
azúcar, pero existen otras variantes como la
diversificación de las producciones que puede llegar a ser
una alternativa muy valiosa para lograr una mayor
revalorización de la caña, además de una
mejor y más variada oferta de
surtidos en el mercado.
La importancia de la caña como materia prima
radica no sólo en su alto contenido de azúcar, sino
que además el bagazo constituye una fuente capaz de
satisfacer los requerimientos energéticos del complejo
productivo.
También es un hecho conocido que en la economía de nuestros
días el bagazo puede ser utilizado como materia prima
por muchas industrias y, por
consiguiente, ya no resulta económico quemar todo el
bagazo en los hornos. Sin embargo, para poder ahorrar bagazo es
indispensable disminuir el consumo de
vapor del proceso. Una técnica de ahorro
energético en los procesos es la
utilización de los eyectores.

2. Eyectores

Ordinariamente cuando uno se refiere a los aparatos de
chorro se acostumbra usar el término "eyector " que cubre
todos los tipos de bombas de chorro
que no cuentan con partes móviles, que utilizan fluidos en
movimiento
bajo condiciones controladas y que descargan a una presión
intermedia entre las presiones del fluido motor y de
succión. El eyector a chorro de vapor es el aparato
más simple que hay para extraer el aire, gases o
vapores de los condensadores
y de los equipos que operan a vacío en los procesos
industriales. Es un tipo simplificado de bomba de vacío o
compresor, sin partes móviles, como válvulas,
pistones, rotores, etc. Su funcionamiento está dado por el
principio de conservación de la cantidad de movimiento de
las corrientes involucradas.
Los eyectores o bombas de chorros, son máquinas
cuyo trabajo se basa en la transmisión de energía
por impacto de un chorro fluido a gran velocidad,
contra otro fluido en movimiento o en reposo, para proporcionar
una mezcla de fluido a una velocidad moderadamente elevada, que
luego disminuye hasta obtener una presión final mayor que
la inicial del fluido de menor velocidad.
Los eyectores se emplean muy comúnmente para extraer gases
de los espacios donde se hace vacío, por ejemplo, en los
condensadores, en los sistemas de
evaporación, en torres de destilación al vacío y en los
sistemas de refrigeración, donde los gases
extraídos son generalmente incondensables, tales como el
aire. Aunque también se usan en el mezclado de corrientes
como por ejemplo en los procesos de sulfitación en
ingenios azucareros.
Los intervalos típicos del vacío producido por lo
diferentes arreglos de eyectores son los siguientes:

Un eyector no es más que una combinación
de tobera con un difusor, acoplado convenientemente en un mismo
equipo y está formado, en general, por cinco partes como
se muestra en la
figura:

Fuente:
http://www.kinetic-therm.com/anglais/produit/ejec-termo-vacc/ejec-termo-vacc.htm

La tobera permite la expansión de la corriente o fluido
motriz (también llamado primario o actuante) hasta un
estado con alta velocidad. La cámara de eyección
incluye la sección de entrada de la corriente o fluido
eyectado (también llamado secundario); en esta
cámara, el fluido eyectado es arrastrado por el fluido
motriz. La cámara de mezcla permite el mezclado
íntimo entre los fluidos motriz y eyectado, lo que implica
la aceleración del fluido eyectado y la
desaceleración del fluido mezclado (mezcla del motriz y el
eyectado), con el consiguiente aumento de presión.
De acuerdo al fluido motriz el eyector, se denomina: de vapor,
cuando lo que circula por su interior es vapor de agua o
hidráulico, cuando su fluido motriz es agua.
Los cálculos para el diseño
de un eyector son engorrosos (ocurren tres procesos distintos:
expansión, compresión y mezclado, por lo que hay
métodos
específicos para cada tipo de eyector), el mismo consiste
en determinar las longitudes de la tobera, el difusor y la
cámara de mezcla, así como las áreas de
flujo y sus ángulos. Una vez diseñado el equipo, el
mismo debe operar a las condiciones estacionarias para las cuales
se diseñó y el cálculo
fundamental es el del coeficiente de eyección o
relación de arrastre:
coeficiente de eyección = flujo motor / flujo
arrastrado
Con el objetivo de aumentar la capacidad de arrastre del eyector
y disminuir la presión en la succión, se pueden
utilizar sistemas de eyectores, en cuyo caso entre eyector y
eyector se acopla un condensador barométrico.

Ventajas
Son de diseño simple con gran flexibilidad, fáciles
de construir, ocupan poco espacio, son fáciles de manejar,
confiables.
Su costo de mantenimiento
(no necesita lubricación, ni se desgasta) es bajo, no
tienen partes móviles como válvulas, pistones,
rotores, etc. y las sustituciones de piezas o partes son poco
frecuentes (los más comunes son de toberas de acero inoxidable
y de cámara y difusor de hierro
fundido, los materiales
cambian según su uso), y bajo costo de servicio o
operación.
No necesita cimentación y puede ser sujetado conectando
las tuberías.

Desventajas
Su costo operacional es relativamente alto debido al consumo de
fluido motor, generalmente vapor. En este caso utiliza vapor
tomado directamente de los generadores (alta presión), el
que, después de expandirse, mezclarse y comprimirse es
totalmente condensado, descargándose al pozo
barométrico con pérdidas de todo su calor latente.
Sobre base anual el costo de operación es generalmente
mayor que el costo inicial del equipo, de aquí que su
rendimiento económico sea bajo.
Tienen una baja eficacia mecánica y falta de flexibilidad para las
variaciones de las condiciones de operación.

3.
Clasificación

De acuerdo con las condiciones mantenidas en la
cámara de mezcla se clasifican en dos tipos, de
sección que permite mantener la presión constante y
con sección de área constante.
Dadas sus ventajosas características de construcción, operación,
instalación, mantenimiento y costo, las bombas de chorro
han encontrado una vasta aplicación en la industria,
desarrollándose constantemente nuevos usos para los
mismos. Esta variedad de aplicaciones ha originado a su vez una
nueva terminología que describe grupos de
aparatos con características especificas como sigue:
Eyector: Cubre todos los tipos de bombas de chorro descargando a
una presión entre las presiones motriz y de
succión.
Inyector: Usa un gas condensable
para introducir o aspirar un liquido y descargar contra una
presión mayor que cualquiera de las de succión o
motriz. En la actualidad está restringido a los
alimentadores de las calderas de
vapor.
Sifón: Es una bomba de chorro para liquido que usa vapor
como fluido motriz.
Eductor: Bomba de chorro para liquido que usa un liquido como
fluido motor.
Extractor: Bomba de chorro para gas que utiliza un liquido o un
gas como fluido motriz.
Soplador de chorro: Bomba de chorro para gas que bombea gases
contra presiones diferenciales muy bajas.
Compresor de chorro: Bomba de chorro para gas usada para levantar
la presión de gases.
Lavador de gas: Para bombear aire y gases contra presiones
diferenciales muy bajas usando un liquido como fluido motor. Son
llamados también "lavadores de vapor, aspirador de humos o
absorbedores de vapores" y se usan para lavar gases, así
como vapores y emanaciones molestas.
Termocompresor: Para comprimir un vapor utilizando como fluido
motriz vapor.

4. Termocompresores

La práctica de recomprimir un vapor para aumentar
su temperatura y
permitir nuevamente su uso, se llama TERMOCOMPRESION. Este
principio encuentra continuamente aplicaciones más amplias
en la industria.
En una fábrica de azúcar de caña bien
diseñada o equilibrada, el vapor necesario para el proceso
es aproximadamente un 15 % menor que la cantidad disponible
procedente del escape de los turbogeneradores, o sea, que las
necesidades de vapor de escape para la concentración son
muy superiores a las cantidades de vapor de escape disponibles.
Una fábrica así debe entonces expandir una cantidad
importante de vapor vivo, para completar su vapor de escape. Esta
expansión se lleva a cabo generalmente en una
válvula reductora sin obtener ningún beneficio.
Dadas sus ventajosas posibilidades de ahorro de vapor se
podría hacer esta expansión en un termocompresor.
La energía del vapor directo, o vapor de alta, en un
central azucarero se utiliza para producir energía
eléctrica y energía mecánica. Una
cantidad determinada de vapor de alta se reduce hasta los
parámetros de vapor de escape para complementar las
necesidades de vapor. En este caso, la capacidad de trabajo del
vapor directo que se reduce se pierde y precisamente para no
perder esta capacidad de trabajo es que se utilizan estos
equipos.
El termocompresor es un eyector vapor–vapor destinado a
economizar vapor. Puede instalarse en cualquier posición,
horizontal, vertical o inclinado para equilibrar
automáticamente el consumo de vapor del proceso entre el
vapor vivo y el vapor de escape. Permite elevar los
parámetros de presión del vapor en cierta medida y
por consecuencia, su temperatura; con la ayuda de otro vapor que
tenga mayor potencial de presión y temperatura.

Ecuaciones
Básicas
Para el cálculo de termocompresores las ecuaciones
fundamentales son:
Balance de materiales en el termocompresor:
mA + mC = mb(1)
mA = mB y ma =
mb

Balance de cantidad de movimiento en la cámara de
mezcla:

y
(2)

(3)

(4)

Balance de energía en el termocompresor:
(5)

Como no se realiza trabajo(WS =0), y
despreciando D Ek, D Ep y las pérdidas de calor al medio
(Q = 0) queda que:

(6)

(7)

(8)

(9)

Según Kern:

(10)

e1 . e2 . e3 = 0 .75 –
0.8 (eficiencia
total)
e1 = 0.95 -0.98 (eficiencia en la boquilla)
e2 = 0.9 – 0.95 (eficiencia de compresión en el
difusor)
e3 = 0.8 – 0.85 (eficiencia de
la transferencia de momentum)
HA – entalpía del vapor vivo, Btu / lb.
HB – entalpía del vapor vivo después de
su expansión isoentrópica a la presión
p2, Btu / lb.
Ha – entalpía de la mezcla al principio de la
compresión en la sección del difusor a
p2, Btu / lb.
Hb – entalpía de la mezcla después de la
compresión isoentrópica de p2 a la
presión de descarga p3, Btu / lb.
mC / mA – (lb de vapor arrastrado / lb de
vapor motriz).

Según Espinosa:
Partiendo de la ecuación de continuidad se llega a la
siguiente ecuación empírica:

(11)

De – Consumo de vapor del termocompresor (kg de
vapor / h).
d – Diámetro del estrangulamiento en la tobera (cm).
P – Presión del vapor de entrada (kg / cm
2 abs. ).
Ve – Volumen
específico del vapor (m 3 / kg).

Para valorar la efectividad en el funcionamiento de este
equipo se han definido varios parámetros:
Hugot define:
Relación de arrastre ( m ) = Flujo másico de vapor
aspirado / Flujo másico de vapor motriz
El propio autor hace el cálculo por las fórmulas de
Truffault.

(12)

(13)

T0 – Temperatura del vapor por comprimirse
(° C).
Tm – Temperatura correspondiente a la presión
pm de la mezcla, es decir del vapor en la calandria
(° C).
p – Presión absoluta del vapor motriz (kgf /
cm2 ).
m o – Relación de arrastre en una boquilla
nueva.
pm – Relación absoluta de la mezcla de
vapores(kgf / cm2).
po – Presión absoluta del vapor por comprimirse
(kgf / cm2).
m – Relación de arrastre integrando el desgaste de las
boquillas.

Jenkins plantea que este parámetro toma el valor
de tres[ Jen85] y Tromp que toma valor igual a uno.
Socolov utiliza además del coeficiente de
eyección:
Relación de expansión (PA /
PC), es la relación que existe entre la
presión del vapor de alta y la del vapor aspirado. La
eficiencia del termocompresor es directamente proporcional a la
relación de expansión. Básicamente, para una
presión del vapor de baja determinada, mientras mayor sea
la presión del vapor de alta, mayor será la
eficiencia del mismo.
Grado de compresión (Pb / PC) es la
relación que existe entre la presión del vapor
comprimido y la del vapor aspirado. La eficiencia del
termocompresor es inversamente proporcional al grado de
compresión, esto significa que para una mayor
presión del vapor comprimido, menor será la
eficiencia del equipo.

Aplicaciones
Se utilizan en varias industrias:
Pulpa y papel, Como
compensador para cambios de temperatura y presión de
descarga de los secadores de vapor en el aprovechamiento de las
corrientes residuales.
Farmacéutica, Recuperación de corrientes residuales
de secado al vacío de productos
sensibles al calor y obtención de extractos de hormonas.
Alimentaria, Recuperación de vapores extraídos de
los alimentos (jugos de frutas, etcétera) durante el
proceso de concentración.
Química y
Petroquímica, Recuperación de
vapores de equipos tales como secadores, deodorizadores, etc. ,
en la desalinización y en la obtención de productos
orgánicos.
Generación de electricidad.
Aerospacial.
Azucarera:
Para elevar la presión del vapor a la entrada de la
calandria del primer vaso de múltiple.
Para aumentar la evaporación del primer vaso del
múltiple.
Para elevar la presión del vapor de escape en un pre o
vaporcell.
Para mejorar la evaporación y el calentamiento en
calentadores.
Para poder rectificar utilizando vapor de escape con poca
presión.
Para mejorar la evaporación en el primer y segundo vaso
del múltiple efecto.
Para mejorar la evaporación en los evaporadores y el trabajo de
los calentadores.
Recuperación de condensados.
En cristalizadores.
Para auxiliar vacío en los tachos.

5. Limitaciones para su
utilización

Si una fábrica produce en sus máquinas, el
vapor de escape que consume en la concentración, la
termocompresión no presenta ningún interés.
Por lo que los turbogeneradores de la fábrica deben
producir menos vapor de escape que la cantidad requerida en el
proceso. Es decir que el vapor de alta que va a la reductora sea
siempre más del 15 % del total de las necesidades de vapor
en el proceso tecnológico, en una fábrica donde
lógicamente no estén sobrepotenciados sus equipos
primarios, ni mal aprovechados o utilizados sus equipos del
proceso.
El aumento de presión entre los vapores a la salida y a la
entrada del termocompresor tiene que ser necesariamente
pequeño, (TA – Tb ) < = 10
ºC.
Una elevación del punto de ebullición (EPE)
pequeña.

6. Conclusiones

El eyector cubre todos los tipos de bombas de chorro que
no cuentan con partes móviles, que utilizan fluidos en
movimiento bajo condiciones controladas y que descargan a una
presión intermedia entre las presiones del fluido motor y
de succión.
El termocompresor es un tipo de eyector vapor-vapor destinado a
economizar vapor en las industrias.
Se lograron reunir las ecuaciones para la evaluación
de estos equipos, así como las ventajas y desventajas,
aplicaciones y límites de
utilización de los mismos.
La información que se presenta constituye una
herramienta útil para los cálculos ingenieriles de
este tipo de equipo.

7. Bibliografía

1. http://www.artisanind.com/jetvac/singlestage.htm
2. Brown, George; "Operaciones
básicas de la Ingeniería Química". Editorial
Pueblo y Educación. Ciudad de
la Habana; 1990.
3. http://Croll.com/vac6.htm
4. Espinosa, Rubén; "Sistemas de utilización del
calor". Editorial Pueblo y Educación. Ciudad de la Habana;
1987.
5. Faires, Virgil; "Termodinámica". Edición
Revolucionaria. Ciudad de la Habana; 1986.
6. http://www.foxvalve.com/index2.html
7. http://www.foxvalve.com/frameset-thermo.html
8. Honig, Pieter; "Principios de
tecnología azucarera". Tomo 3. Editorial Pueblo y
Educación. Ciudad de La Habana; 1973.
9. Hugott, Emil; " Manual para
ingenieros azucareros ". Editorial Pueblo y Educación.
Ciudad de La Habana; 1980.
10. Jenkins, G; "Introducción a la tecnología del
azúcar de caña". Edición Revolucionaria.
Ciudad de La Habana; 1985.
11. Kern, Donald; "Procesos de transferencia de calor".
Edición Revolucionaria. Ciudad de La Habana; 1986.
12.http://www.kinetic-therm.com/anglais/produit/ejec-termo-vacc/ejec-termo-vacc.htm

13. Lima, Manuel; "Sistemas de eyectores hidráulicos de
vacío en la industria azucarera". Información
Científica.
14. Lyle, Oliver; " The efficient use of steam". Majesty’s
Stationery Office. London;
1947.
15. McCabe, Warren; "Operaciones básicas de
Ingeniería Química". Tomo 1. Edición
Revolucionaria. Ciudad del Habana; 1981.
16. http://www.nciweb.net/thermoco.htm
17. Pons, Antonio y otros; "Térmodinámica para
Ingenieros Químicos". Editorial Pueblo y Educación.
Ciudad de la Habana, 1987.Pag 251-253.
18. Socolov y Zinguex; "Aparatos de chorro".
19. Tromp, L; "Machinery and equipment of the cane sugar
factory". Norman Rodger Edition. London; 1936.
20. http://www.s-k.com/pr_termo.htm

Resumen
En el presente artículo se detallan las
características de los mencionados equipos, sus ventajas y
desventajas, además de una clasificación de los
diferentes tipos de eyectores empleados en las industrias
químicas. Dándole especial atención, por su amplia utilización
en la industria en general a los termocompresores, de los cuales
se detallan sus ecuaciones básicas y empíricas,
así como las aplicaciones y limitaciones para su
utilización.
Palabras Claves: Eyectores, Termocompresores, Ahorro
Energético.

Autor:

Ing. Osney Perez Ones
Profesor Instructor

Dr. Ing. Osvaldo Gozá León
Profesor Auxiliar

Grupo de
Investigaciones Azúcar
http://www.geocities.com/grupoazucar

Departamento de Ingeniería Química. Facultad de
Ingeniería Química.
Instituto Superior Politécnico "José Antonio
Echeverría".
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