2. Sistemas Modernos Drenaje Condensado

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Diseño de Sistemas de Drenaje de Secadores

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Dryer Drainage System Design

Sistema Moderno de Drenaje

• Requerimientos– Controlar presiones en secadores sobre un amplio rango operativo– Alta transferencia de calor– Perfil de humedad uniforme– Sin secadores inundados– Controlar calidad de hoja en zona húmeda (picking, cockle,

sticking, etc)• Graduación de secadores de acuerdo a calidad de grados de papel

– Asegurar alta eficiencia de energía• Pérdidas menores a 2%• Evaporación de 1,2 kgs de vapor por kg de agua

– Rápido ajuste a quiebras de hoja, cambio de gramajes, etc– Operación simple

• Sistemas complejos requieren lógica de control para asistir a operadores

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Selección de Sifón

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Diseño y Selección de Sifón

• Una función primaria del SV&C es manejar y usar el vapor de arrastre

• Seleccionar el tipo y tamaño de sifón es el paso másimportante para diseñar un SV&C– La selección del sifón debe considerar un bajo flujo de vapor

de arrastre• Sifones estacionarios – con orificios con tamaño correcto (placas

de orificio)• Sifones rotatorios – correctamente dimensionados

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Definiciones

Condensado y vapor de arrastre

Entrada de vapor

Presión Diferencial ( P)• Diferencia de presión entre la presión de vapor de entrada y la presión del condensado a la salida.• La presión diferencial crea flujo

Vapor de arrastre• Vapor no condensado en el secador.• El vapor de arrastre acarrea al condensado fuera del secador.

% Vapor de arrastre (VA)•Masa de vapor de arrastre como porcentaje del vapor condensadodentro del secador (Kgs VA / Kgs Condensado x 100)

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Tipos de sifones

• Sifón Estacionario– Sifón no se mueve– Secador rota alrededor del sifón

• Sifón Rotatorio– Fijado a la pared del secador– Sifón rota con el secador

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Video de Sifón Estacionario

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Cálculo de Sifón Estacionario• Cálculo menos crítico que el rotatorio• Diseño típico

– P 2 to 4 psi (.15 to .3 bar)– Vapor arrastre 8 to 10% de carga de condensado

• Puede ser tan bajo como 5% o tan alto como 20%• Vapor arrastre puede ser ajustado a la curva de secado con

orificios externos (placas de orificio)

• P generada fácilmente• Vapor de arrastre es fácilmente manejado• Eficiente remoción de condensado

– No hay inundación aunque hayan secadores operando fuera del punto óptimo.

Curva de Sifón Estacionario

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25 30

Estacionario Kadant Johnson – 635 kg / hr – 3.45 bar

Sin placa de orificio en la línea de condensado

Curva de diseño

Placa de orificio de 23 mm en la línea de

condensado

Pres

ión

Dife

renc

ial(

bar)

Vapor de arrastre, % carga de condensado

.27

.35

.41

.48

.55

.20

.07

.14

10


Sifones Estacionarios

• Ventajas– Menor inundación en secadores– Menor ΔP y vapor de arrastre– Buenos en altas velocidades– Buenos para operación en bajas

presiones– Ideal para secadores accionados por

paño– Menores tamaños de cañerías– Necesita menor vapor motriz

• Desventajas– Requiere montaje rígido para las

juntas rotatorias– Largo soporte para sostener el tubo– Requiere de barras para uniformar

transferencia de calor sobre 350 mpm

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Sifón Rotatorio

Condensado y vapor de arrastre

Entrada de Vapor

Vapor de arrastreacarrea y remueve el condensado

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Video de Sifón Rotatorio

Curva de Sifón Rotatorio

0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Sifón rotatorio HDRS - 790 mpm x 727 kg/hr x 3.45 bar

Sifón 23 mm

Sifón 19 mm

22% VA a 0.62 bar DP

Vapor arrastre (VA), % de Carga condensado

Pres

ión

dife

renc

ial(

bar)

Punto de recuperación de

inundación

.14

1.0

.69

.83

.55

.41

.27

ΔP Sifón Rotatorio

0

.14

.27

.41

.55

.69

.83

60 180 305 425 550 670 790 915Velocidad Máquina

(mpm)

Pres

ión

Dife

renc

ial(

bar)

ΔP de recuperación de inundación

(Sin orificio aspirador)

Diferencial objetivo(Sifón aspirado)

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Sifones Rotatorios

• Ventajas– Alta confiabilidad mecánica– Permite menor luz– Alta eficiencia de transferencia

de calor

• Desventajas– Alta ΔP y alto vapor de arrastre

• DP es función de la velocidad– Mayor velocidad = mayor dp

• Vapor de arrastre puede estar entre 20% to 50%– Tamaño de sifón es crítico

– Propensos a inundaciones a altas velocidades– Difícil control a bajas presiones

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Diseño de Sistemas

CascadaTermocompresorCombinación

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• ¿Termocompresor?• ¿Cascada?• ¿Combinado?• ¿Control de flujo por vapor de arrastre?• ¿Control por presión diferencial?• ¿Cuánta humedad en graduación del secador?• ¿Condensador de vacío?• ¿Control DCS?• ¿Sistema de Manejo de Secado DMS?

Cual es el mejor diseño de sistema?

No hay un “mejor” sistema. Cada sistema debeser diseñado para las condiciones de operación

de la máquina y la estructura de planta.

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Factores a considerarRequerimientos de gramajes y calidad.Requerimientos de capacidad de secado y producciónRango de presión de operaciónRequerimiento de caida de presión en zona húmedaGraduación de presiónPresión de vapor disponible (motriz y recuperación)Costo de vapor motriz y recuperadoTipo de sifonesVelocidad de máquinaEquipos y piping existente que sea reutilizableOperación de fácil usoJustificación de proyecto y costo del sistema

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Modernos Diseños de Sistemas

• Máquina dividida en “Tres Zonas”– Zona de calidad

• Secadores de zona húmeda capaces de operar a bajas presiones• Control of picking, cockle, & runnability• Drenaje consistente

– Zona de transición• Grupos de presión más pequeños para mejorar graduación de

presiones• Puede permitir altas presiones si la calidad de hoja y runability lo

permiten• Debe ser capaz de reducir presión para maximizar el retorno del

sistema– Zona de producción

• Maximas presiones para maximizar producción• Capaz de bajar a bajas presiones cuando sea necesario• Grupos de presión más grandes• Grupos de presión deben coincidir con los de accionamiento

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Sistemas de Cascada

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Sistema de Cascada Simple

Grupo Principal

(60% de Secadores)

Vapor

Vàlvulas de Venteo

Abren sólo en quiebras de Hoja

Grupo Inter-medio (25%

de Secadores)

Zona Húm(15% de

Secadores)

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Típico SistemaModerno de Cascada

Válvulas adicionales que proveencontrol de presión a grupos líderes

Vapor flash utilizadoen secadores de bajapresión en zonahúmeda

Zona de Calidad Zona de Transición Zona de Producción

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Sistema de CascadaLWC

Zona de Calidad Zona Transición Zona Producción

-0.7 bar

0.7 to 5 bar rango

de operación

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Sistema de CascadaModificado para Máquina

de Papel Fotocopia

Sifones Estacionarios y Sistema de Manejo Necesarios

Zona de CalidadZona de Producción

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Sistemas de Cascada• Ventajas

– No requiere vapor motriz, costo de operación puede ser menor sicosto de vapor motriz es más alto

– Buena eficiencia de energía– Se adapta mejor a sifones estacionarios cuando las dP son bajas– Se puede eliminar bombas de condensado en muchas secciones

y el condensado trasladado en cascada a través del sistema– Costo de instalación puede ser menor

• Piping más simple• No hay termocompresores, valvula de alivio, menos bombas, etc• Línea de vapor motriz

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Sistemas de Cascada

• Desventajas– Más difícil de operar

• Seteo crítico de presión y presión diferencial• Dificultades pueden minimizarse con lógica de control

– Más difícil de controlar• Fuerte interacción entre control de grupos• Larga recuperación ante quiebras de hoja

– Sistema de caida de presiones es limitado por el diseno de la cascada

• Se adapta mejor a sifones estacionarios cuando las dP son bajas– Presiones del sistema no pueden ser maximizadas

• Capacidad reducida en máquinas de cartulinas

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Sistema con Termocompresores

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Componentes del Termocompresor

Entrada de Succión de

Vapor

EntradaVapor Motriz Descarga de

Vapor Motriz

Expansiónpara

descargar a presión del

secador

Aceleración de mezcla a alta

velocidad

Actuador

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¿Cómo trabaja?

• La presión del vapor motriz es reducida mientras la boquilla abre– Velocidad aumenta mientras presión es reducida

• Momento de intercambio mientras el vapor motriz a altavelocidad se mezcla con el vapor succionado

• Mezcla adquiere alta velocidad en la garganta• La velocidad de la mezcla es lentamente reducida en el difusor

– Energía de la velocidad es convertida en presion• Presión de descarga es más alta que la de succión inicial.• No hay perdida de energía calórica en el proceso

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Tipica Sección con Termocompresor

Steam Group

Separador

Retorno Condensado

VálvulaVenteo

50-100%A/O

0-50%A/O

50-100%A/O

Vapor deRelleno

Vapor Motrizde AltaSelector de señal

de baja

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Típico Sistema con Termocompresores

Zona de Calidad

Zona de Transición Zone de Producción

Opción de Bombas depende de preferencias de Planta

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Sistema de Máquina de Cartulina

Opción de Bombas dependiendo de preferencia de Planta

Zona de Produccion Todos los Secadores

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Sistema con Termocompresores• Ventajas

– Operación muy flexible, todas las secciones independientes• Presiones & presiones diferenciales varían independientemente

– Sistema más fácil de usar y entender– Amplio rango de operación posible

• Posible diseñar para operar con todos los grupos principales a presiones entre 5 psig y 100 psig sin venteo

– Maxima presión a secadores en todas las secciones• Gran ventaja en máquinas de cartulinas para maximizar producción

– Buena eficiencia de energía– Buen control de humedad– Grupos de presión coinciden con grupos de accionamiento– Mínimo venteo en quiebras de hoja con control de flujo de vapor de

arrastre

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Sistema con Termocompresores

• Desventajas– Necesita fuente de alta presión de vapor motriz

• Vapor motriz es más caro• Vapor motriz debe tener alta presión• Más caro transportar vapor de alta desde caldera a la máquina

– El “choking” del termocompresor puede ser una consideracion sioperado fuera del rango de presion de la PM

• Problema minimizado con la correcta especificacion del termocompressor y control del vapor de arrastre

– Normalmente más caro de instalar (vapor motriz paratermocompresores, válvulas de alivio, etc).

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Métodos de Control

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¿Qué Tipo de Control es Mejor?• Control de Presión Diferencial• Control de Flujo de Vapor de Arrastre• Control de Presión Diferencial Manejado

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• Velocidad de máquina, carga de condensación y Cv de sifón, usadas paracalcular correctas presiones diferenciales y vapor arrastre en línea

• Condiciones de máquina ajustadas a curvas de sifón• P está siempre sobre punto de inundación para sifones rotatatorios• P variada para sifones estacionarios

Bajas P a bajas presiones ayuda a recuperación de sistemaAltas P a altas presiones aseguran drenaje

• Reducidas P en quiebras de hoja reducen el flujo de vapor de arrastre y previenen el venteo

• Minima presión diferencial para prevenir secadores inundados en quiebras de hojas

• Mantiene el sistema estable

Presiones Diferenciales Manejadas

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Control de Presión Diferencial Manejado

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Blowthrough Flow (% Condensing Load)

Diff

eren

tial P

ress

ure

(psi

) Operating Differential PressureOn Light Weight Grades

Flood Recovery PointOn Light Weight Grades

Rotary Syphon Controlled Using Managed Differential

Pressure Control

75 psig - 2,935 pph1,500 fpm

20 psig - 2,050 pph2,350 fpm

Operating Differential PressureOn Heavy Weight Grade

La correcta dp paratodas las condiciones

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Beneficios del MDPC • Elimina inundación de secadores por malas dP o flujo de vapor de

arrastre• Minimiza consumo de energía y pérdidas de vapor

– No hay venteo = importantes ahorros en algunas máquinas• Menores pérdidas de vapor en quiebras de hoja y parada de máquina

– Normalmente justifica la inversión por si solo• Minimiza uso de vapor motriz caro en termocompresores

– Puede ser significativo si el costo de vapor es alto• Elimina necesidad de ajuste por operador• Fácil de usar y entender para operadores• El vacío del condensador es mantenido durante quiebras de hoja• Reducción de erosion en piping y equipos• Puede ser implementado con equipos y control existentes• No necesita instalar instrumentación adicional o hacer cambios al

sistema.• Puede ser implementado para los secadores de sección húmeda

donde el control de vapor de arrastre no puede ser aplicado

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Principios de Diseño de Sistemas

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Diseño de Sistemas Modernos• “Amplio” rango de operación

– Nunca cerrar secadores• Sifones estacionarios permiten las menores presiones• Mayores niveles de vacíos• Baja presión en zona húmeda (-0,5 Bar)• Control/Manejo de presión

– Bajas presiones en zona húmeda en gramajes sensibles a calidad• -0,5 bar requerido en algunos gramajes• Mantener control de condensador en quiebras de hoja para evitar

inundaciones.– Maximiza capacidad de producción

• Mayor “zona productiva”• Minimiza vapor de arrastre para permitir una mayor zona productiva• Secadores de zona de transición aceptan alta presión si calidad lo

admiten

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Diseño de Sistemas Modernos

• Control/Manejo de presión del sistema– Presiones “supervisadas” por la lógica de control– Necesesario para ejecutar el más amplio rango de operación

• Ajustado control de presión necesario para operar a las presiones másbajas posibles

• Máximas presiones y producciones aseguradas– Operadores no “correm seguros”

– Mantiene el sistema balanceado para alta eficiencia de energía– Permite eliminar bombas de muchos separadores– Manejo de presiones durante quiebras de hojas y cambio de

gramajes reduce las pérdidas de papel– Permite operación de fácil uso

• Operadores no necesitan setear presiones

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Dryer Drainage System Design Todas las Secciones con Vacío

Diseño de Termocompresores/Cascada

con Control DMS

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• Minimiza vapor de arrastre para mantener sistema en balance– Menos flujos de vapor de arrastre dan una mejor operación

• Sifones estacionarios altamente preferidos• Placas de orificio restringen vapor de arrastre para mantener curva de

secado– Tasa de vapor de arrastre de 8 a 12% en toda la máquina

• Control de Presión Diferencial Dirigido– Presión diferencial optimizada a la operacion de la máquina

– Minimiza pérdidas en cañerías• Tamaños de cañerías reducidos• Erosión en cañerías reducidos

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Diseño de Sistemas Modernos• Nivel Alto y Consistente de Vacío

– Pérdidas en condensador minimizadas– Baja de diferencial en quiebras de hoja para mantener el vacío– Juntas de vapor de zona húmeda capaces de manejar alto vacío si

no hay fugas de aire.– Cañerías ajustadas sin pérdida de aire– Vortec vacuum generator for “deep vacuum” service

• Condensador “Dirigido”– Minimiza consumo de agua– Control de temperatura de agua para estabilizar el sistema de

agua caliente– Nivel de vacio controlado con purga de aire a la bomba de vacio– Nivel de vacio varía dependiendo de la diferencial necesaria en los

secadores de zona húmeda• Grandes vacios usados sólo con presiones bajas en zona húmeda

– Monitoreo de pérdidas de energía• Usado para controlar & manejar la energía de secado total usada

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• Alta eficiencia de energía– Utilizar todo el calor del condensado en alta temperatura

• Retornar el condensado a la caldera a baja temperatura• Cascada de condensado en el sistema para usar vapor flash en

secado• Usar calor en el sistema PV si es necesario

– Minimizar pérdidas hasta el condensador• Pérdida al condensador de 1,5% a 3% como meta• Minimizar el vapor de arrastre para mantener el sistema ajustado• Controlar el sistema para eliminar venteos• Minimizar los secadores descargando directo al condensador• Minimizar pérdidas de vapor de arrastre en secadores de zona

húmeda– Sifones estacionarios– Placas de orificios en líneas de condensado– Válvulas de control de presión diferencial– Control de presión diferencial dirigido

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Consumo de Energía en Secador

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Energía37%

Manode

Obra32%

Fibra24%

Químicos

Temanex TN-04-419 July 2004 for 2003

Costos de Producción

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Referencias de uso de vapor en secado

kg vapor / kg agua

evaporada

kg vapor / kgpapel

(sin size press)

kg vapor / kg papel

(con size press)

Vapor usado en drenajede secadores

1,13 to 1,20 1,2 to 1,7 2,0 to 2,4

Vapor usado para calentaraire para capota

0,18 to 0,20 0,18 to 0,30 0,3 to 0,4

% pérdida de energíaal condensador o

atmosfera

< 2% < 2% < 2%

50


Consumo de Energía en Secador

35060Trampeo de no-condensables

1.2000Venteo al Condensador

4.9503.020TOTAL

800420Calentamiento de Aire

2.3002.300Evaporación

300240Calentamiento de Hoja

BajoRendimiento

BuenRendimiento

Consumidor de Energía

kJ / kg Agua Evaporada

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5 Reglas para Eficiencia de Energía en Secado

1) Mantener el sistema ajustado

2) Utilizar eficientemente el vapor flash del condensado a alta temperatura

3) Maximizar el uso de vapores de baja presión

4) Minimizar el calor para calentar aire paracapota

5) Controlar el sistema

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Mantener el Sistema Ajustado

• Mantener el sistema “ajustado”!!!!– No ventear al condensador o a la atmósfera.

• Válvulas de control diferencial cerradas.• Controlar purga de no-condensables.

– Mantener bajo el flujo vapor de arrastre.• Sifón estacionario o sifones rotatorios bien dimensionados.• Sifones rotatorios sobredimensionados son un problema.

– Presiones diferenciales apropiadas• Presiones diferenciales excesivas son comunes• “Más es mejor” no es la mejor manera de operar

– Correctos tamaños de cañerías & diseño de equipos• Una de las razones frecuentes por las que se usan altos diferenciales

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Usos de Vapor Flash

InaceptableDescarga a la atmósfera (maquina o caldera)

Generalmente pobreMachine silo

Generalmente pobreDuchas de agua caliente en máquina

BuenoDuchas de vapor de zona húmeda o de formación

BuenoPrecalentado de aire para bolsillos de ventilación

MejorEn secadores de baja presión

RankingUso de Vapor Flash

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Ejemplo de Sistema de Máquina de Papel Fino

(After Section Not Shown For Clarity)

Vapor Flash Usado en Secadores de ZonaHúmeda

65 Psig Matriz

165 Psig Matriz

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Flash Steam To PV Preheat Coils

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T

AlternativelySteam Can BeFlashed Into ALow Pressure Header

1

Make-up SteamFrom Low PressureHeader

High Temperature CondensateFrom Individual Separator Stations

Atmos.

PT

PT FTTT

To Wet End SteamShower

MoistureEliminator

LTLT

Vapor Flash en Duchas de Vapor en Zona Húmeda

Utilización de Vapores Flash

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Maximización de Bajas Presiones

• Minimizar uso de vapor de alta presión.(Plantas con turbinas de generación)– Uso de vapor motriz de baja en termocompresores

• Sifones estacionarios con baja necesidad de vapor de arrastre y dP• Operación con adecuadas presiones diferenciales• Evitar bloqueo del termocompresor• Mantener el termocompresor en bueno condición de operación

– Operar fuera del colector de baja presión cuando sea posible• Secadores de zona húmeda en colectro de baja presión• Vapor de recuperación desconectado para permitir el uso de baja o

alta presión de acuerdo a demanda.• Termocompresores tipo booster

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Manejo de los Sistemas de Secado

• Manejo de presiones– Mantiene el sistema balanceado

• Manejo de presiones diferenciales– Evita un sistema con pérdidas

• Menores presiones diferenciales en quiebras de hoja– Minimiza venteo de vapor

• Manejo de termocompresores– Evita “bloqueo” & venteo

• Manejo del condensador– Minimiza flujo de agua & estabiliza el agua caliente

• Manejo del sistema de la capota

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Diseño de Sistemas de Drenaje de Secadores

FIN

Technology

2. Sistemas Modernos Drenaje Condensado