Manejos y usos del vapor de agua •
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El vapor de agua es el gas formado cuando el agua pasa de un estado liquido a uno gaseoso. A un nivel molecular esto es cuando las moléculas de H2O logran liberarse de las uniones que las mantienen juntas. (ejemplo: Uniones de hidrógeno).
Características termodinámica del vapor de agua Esta se produce con unas condiciones termodinámicas constantes, las cuales son temperatura y presión constante. Esto se da en un dispositivo llamado caldera la cual puede tener características tubulares opirotubulares lo cual dice por donde va a pasar los gases calientes de la combustión. Esta maquina térmicas o lo genera vapor saturado seco ya que de lo contrario el vapor generado tendría una presión superior al de la entrada de la caldera y se devolvería. En este proceso la Entalpía que es la energía dinámica (puede adquirir ese nombre) y la energía interna, empiezan a aumentar a causa de la agitación molecular producida por la adición de calor, hasta el punto en que toda el agua se transforma en vapor (condición de vapor saturado seco) en la cual la caldera corta el suministro de calor.
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Propiedades termodinámicas del vapor de agua. •
La entalpía de un agua líquida saturada es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de agua desde C hasta su temperatura de ebullición a una presión determinada.
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La entalpía de vaporización es la cantidad de calor necesaria para convertir 1 kg de agua líquida saturada en vapor saturado y seco. Su valor disminuye con el aumento de temperatura y se hace cero en el estado crítico. La designaremos como hfg.
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La entalpía de un vapor saturado y seco es la suma de las dos anteriores. hg = hf + hfg.
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La entalpía de un vapor de agua húmedo se define como la cantidad de calor necesaria para obtener 1 kg de vapor húmedo a partir de 1 kg de agua líquida saturada a 0,01º C. Su valor es menor que el anterior hg, pudiéndose escribir, en función del título:
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Propiedades termodinámicas del vapor de agua. Para el vapor de agua sobrecalentado, la entalpía puede calcularse de acuerdo a la expresión siguiente: siendo cp,v la capacidad calorífica media del vapor entre las temperaturas consideradas, e el grado de sobrecalentamiento propiedades del agua líquida comprimida no difieren de las del agua líquida saturada a la misma temperatura para presiones no superiores a 28 bar, aproximadamente, por lo que pueden utilizarse los valores de ésta última.
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Propiedades termodinámicas del vapor de agua. •
Todas estas propiedades, como se ha indicado anteriormente, se encuentran recogidas en tablas, pero para el caso del agua, también lo están en forma de diagrama. El diagrama de Mollier, figura 10.4., es un diagrama en las coordenadas entalpía-entropía, en el que se incluyen también las líneas de presión y temperatura constante, las de humedad constante, las del vapor y el líquido saturados, las de recalentamiento constante, y las de volumen específico constante. Como con cualquier diagrama de propiedades, la localización de las mismas es inmediata, si bien el grado de exactitud en sus uso es inferior al conseguido a partir de los datos tabulados. De todos modos, es muy empleado en todos los problemas en los que interviene el agua en sus estados líquido y vapor.
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Usos del vapor de agua El vapor es usado en un gran rango de industrias. La aplicaciones mas comunes para el vapor son, por ejemplo, procesos calentados por vapor en fabricas y plantas, y turbinas impulsadas por vapor en plantas eléctricas, pero el uso del vapor en la industria se extiende mas aya de las antes mencionadas. Algunas de las aplicaciones típicas del vapor para las industrias son: • • • • • • •
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Esterilización/Calentamiento Impulso/Movimiento Motriz Atomización Limpieza Hidratación Humidificación
Vapor de Presión Positiva El vapor generalmente es producido y distribuido en una presión positiva. En la mayoría de los casos, esto significa que es suministrado a los equipos en presiones mayores a 0 MPaG (0 psig) y a temperaturas mayores de 100°C (212°F). Las aplicaciones de calentamiento para vapor a presión positiva se pueden encontrar en plantas procesadoras de alimentos, plantas químicas, y refinerías solo por nombrar algunas. El vapor saturado es utilizado como la fuente de calentamiento para fluido de proceso en intercambiadores de calor, reactores, reboilers, precalentado res de aire de combustión, y otros tipos de equipos de transferencia de calor.
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En un intercambiador de calor, el vapor eleva la temperatura del producto por transferencia de calor, el cual después se convierte en condensado y es descargado a través de una trampa de vapor.
• Vapor al Vacío El uso de vapor para el calentamiento a temperaturas por debajo de 100°C (212°F), tradicionalmente el rango de temperatura en el cual se utiliza agua caliente, ha crecido rápidamente en los últimos años. Cuando vapor saturado al vacío es utilizado en la misma forma que el vapor saturado a presión positiva, la temperatura del vapor puede ser cambiada rápidamente con solo ajustar la presión, haciendo posible el controlar la temperatura de manera mas precisa que las aplicaciones que usan agua caliente. Sin embargo, en conjunto con el equipo se debe utilizar una bomba de vacío, debido a que el solo reducir la presión no lo hará por debajo de la presión atmosférica.
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Vapor para Impulso/Movimiento
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El vapor se usa regularmente para propulsión (así como fuerza motriz) en aplicaciones tales como turbinas de vapor. La turbina de vapor es un equipo esencial para la generación de electricidad en plantas termoeléctricas. En un esfuerzo por mejorar la eficiencia, se han realizado progresos orientados al uso del vapor a presiones y temperaturas aun mayores. Existen algunas plantas termoeléctricas que utilizan vapor sobrecalentado a 25 MPa abs (3625 psia), 610°C (1130°F), presión supercrítica en sus turbinas. Generalmente el vapor sobrecalentado se usa en las turbinas de vapor para prevenir daños al equipo causados por la entrada de condensado. Sin embargo, en ciertos tipos de plantas nucleares, el uso de vapor a lata temperatura se debe de evitar, ya que podría ocasionar daños al material usado en las turbinas. Se utiliza en su lugar vapor saturado a alta presión. En donde se usa vapor saturado, generalmente se instalan separadores en la línea de suministro de vapor para remover el condensado del flujo de vapor. Además de la generación de energía, otras aplicaciones típicas de impulso/movimiento son los compresores movidos por turbinas o las bombas, ej. compresor de gas, bombas para las torres de enfriamiento, etc.
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• Vapor como Fluido Motriz • El vapor puede ser usado de igual manera como una fuerza "motriz" para mover flujos de liquido o gas en una tubería. Los eyectores de vapor son usados para crear el vacío en equipos de proceso tales como las torres de destilación que son utilizadas para purificar y separar flujos de procesos. Los eyectores también pueden ser utilizados para la remoción continua del aire de los condensadores de superficie, esto para mantener una presión de vacío deseada en las turbinas de condensación (vacío).
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• Vapor para Atomización • La atomización de vapor es un proceso en donde el vapor es usado para separar mecánicamente un fluido. Por ejemplo, en algunos quemadores, el vapor es inyectado en el combustible para maximizar la eficiencia de combustión y minimizar la producción de hidrocarbonos (hollín). Calderas y generadores de vapor que utilizan combustible de petróleo utilizaran este método para romper el aceite viscoso en pequeñas gotas para permitir una combustión mas eficiente. también los quemadores (elevados) comúnmente utilizaran la atomización de vapor para reducir los contaminantes a la salida.
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• Vapor para Limpieza • El vapor es usado para limpiar un gran rango de superficies. Un ejemplo de la industria es el uso del vapor en los sopladores de hollín. Las calderas que usan carbón o petróleo como fuente de combustible deben estar equipadas con sopladores de hollín para una limpieza cíclica de las paredes del horno y remover los depósitos de la combustión de las superficies de convención para mantener la eficiencia, capacidad y confiabilidad de la caldera
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• Vapor para Hidratación • Algunas veces el vapor es usado para hidratar el proceso mientras se suministra calor al mismo tiempo. Por ejemplo, el vapor es utilizado para la hidratación en la producción del papel, así que ese papel que se mueve en los rollos a gran velocidad no sufra rupturas microscópicas. Otro ejemplo son los molinos de bolitas. Continuamente los molinos que producen las bolitas de alimento para animales utilizan inyección-directa de vapor tanto para calentar como para proporcionar contenido de agua adicional al que es suministrado en la sección de acondicionamiento del molino.
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• Vapor para Humidificación
• Muchas grandes instalaciones industriales y comerciales, especialmente en climas mas fríos, utilizan vapor saturado a baja presión como la fuente de calor predominante para calentamiento interior estacional. Las bobinas HVAC, normalmente combinadas con humidificadores de vapor, son el equipo usado para el acondicionamiento del aire, para comfort interno, preservación de registros y libros, y de control de infecciones. Cuando se calienta el aire frío por las bobinas de vapor, la humedad relativa del aire gotea, y entonces deberá ser ajustada a los niveles normales en adiciona una inyección controlada de vapor seco saturado en la línea inferior del flujo de aire.
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Tipos de vapor usados • Tipos de vapor de Agua • Si es agua es calentada mas por sobre su punto de ebullición, esta se convierte en vapor, o agua en estado gaseoso. Sin embargo, no todo el vapor es el mismo. Las propiedades del vapor varían de gran forma dependiendo de la presión y la temperatura la cual esta sujeto. • En el articulo Principales Aplicaciones para el Vapor, discutimos varias aplicaciones en las cuales el vapor es utilizado. En la sección siguiente, discutiremos los tipos de vapor utilizados en estas aplicaciones. 7
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• Vapor Saturado • Como se indica en la línea negra en la parte superior de la grafica, el vapor saturado se presenta a presiones y temperaturas en las cuales el vapor (gas) y el agua (liquido) pueden coexistir juntos. En otras palabras, esto ocurre cuando el rango de vaporización del agua es igual al rango de condensación. • Ventajas de usar vapor saturado para calentamiento • El vapor saturado tiene varias propiedades que lo hacen una gran fuente de calor, particularmente a temperaturas de 100 °C (212°F) y mas elevadas.
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Desventajas
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Vapor húmedo Esta es la forma mas común da vapor que se pueda experimentar en plantas. Cuando el vapor se genera utilizando una caldera, generalmente contiene humedad proveniente de las partículas de agua no vaporizadas las cuales son arrastradas hacia las líneas de distribución de vapor. Incluso las mejores calderas pueden descargar vapor conteniendo de un 3% a un 5% de humedad. Al momento en el que el agua se aproxima a un estado de saturación y comienza a evaporarse, normalmente, una pequeña porción de agua generalmente en la forma de gotas, es arrastrada en el flujo de vapor y arrastrada a los puntos de distribución. Este uno de los puntos claves del porque la separación es usada para remover el condensado de la línea de distribución.
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Vapor Sobrecalentado El vapor sobrecalentado se crea por el sobrecalentamiento del vapor saturado o húmedo para alcanzar un punto mayor al de saturación. Esto quiere decir que es un vapor que contiene mayor temperatura y menor densidad que el vapor saturado en una misma presión. El vapor sobrecalentado es usado principalmente para el movimiento-impulso de aplicaciones como lo son las turbinas, y normalmente no es usado para las aplicaciones de transferencia de calor.
• Agua Supercrítica El agua supercrítica es agua en estado que excede su punto critico: 22.1MPa, 374 °C (3208 psia, 705°F). En el punto critico, el calor latente del vapor es cero, y su volumen especifico es exactamente igual ya sea que se considere como gas o liquido. En otras palabras, el agua que se encuentra a una presión y temperatura mayor que la de su punto critico es un estado indistinguible en el cual no es liquido o gas. El agua supercritica es utilizada para impulsar turbinas en plantas de energia que demandan mayor eficiencia. Investigaciones sobre agua supercritica se realizan con un enfasis hacia su uso como fluido que tiene propiedades tanto de liquido y gas, y en particular que es adecuado para su uso como solvente para reacciones quimicas.
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Vapor Sobrecalentado •
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Mientras retenga su estado de sobrecalentamiento, el vapor sobrecalentado no se condensara aun cuando entre en contacto con la atmosfera y su temperatura descienda. Como resultado, no se forman nubes de vapor. El vapor sobrecalentado almacena mas calor que el vapor saturado a la misma presión, y el movimiento de sus moléculas es mucho mas rápido por lo tanto tiene menor densidad (ej. su volumen especifico es mayor)
Referencias: 1.
http://ocwus.us.es/arquitectura-e-ingenieria/operacionesbasicas/contenidos1/tema10/pagina_03.htm
2.
http://www.ucm.es/info/fisatom/docencia/Masterfisica/Renovables/info%20comple mentaria/psicrometria.pdf
3.
Perry, Chemical Engineer´s Handbook, 6 th. Ed.
4.
A. Valiente, Cap. 2, Operaciones aire –agua, Métodos de Producción de Frío, Programa Universitario de Alimentos, UNAM, México, 1993.
5.
http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/principal-applications-for-steam.html
6.
http://materias.fi.uba.ar/6731/Tablas/Tabla12.pdf
7.
http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/types-of-steam.html
