Vapor
El calentamiento de productos es indispensable para muchos procesos y aplicaciones industriales. Para ello, suele ser necesario un nivel de temperatura de entre 100°C y 250°C. El vapor saturado o ligeramente sobrecalentado es un medio de transferencia de calor óptimo que ofrece muchas ventajas:
- Alta densidad energética
- Excelente transferencia de calor durante la condensación
- Adecuado para el calentamiento directo e indirecto
- Buena controlabilidad
- El agua/vapor no es tóxica y está disponible en todas partes
- No se necesitan bombas para transportar el vapor
Tipos de vapor
Se distinguen los siguientes tipos de vapor:
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Tipo de vapor |
Característica especial |
Aplicación |
Contenido de humedad residual |
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Vapor húmedo |
Puede causar erosión en las tuberías de vapor |
– |
> 3% |
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Vapor saturado / alta presión |
El tipo de vapor más utilizado |
Calor de proceso < ~230°C |
Teórico: 0% |
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Vapor sobresaturado |
Pérdidas de calor reducidas en las tuberías |
Turbinas de vapor |
0% |
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Vapor de baja presión |
No está sujeto a la Directiva de Equipos a Presión: El resultado son condiciones de instalación y funcionamiento más favorables |
Calor de proceso ≤ 110°C, lavanderías |
0 – 3% |
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Vapor culinario |
Uso de dosificadores volátiles sin vapor |
Industria de alimentos |
0 – 3% |
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Vapor puro |
Generación mediante generador de vapor puro de acero inoxidable apoyado de vapor saturado |
Industria farmaceutica, hospitales |
0 – 3% |
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Vapor de expansión |
Producido al reducir la presión por debajo del punto de ebullición de agua caliente |
Acumulador de vapor (deseado) |
0 – 5% |
Diferencias entre los distintos tipos de vapor
Vapor saturado o vapor saturado seco
El vapor que se encuentra en el límite entre el vapor húmedo y el vapor sobrecalentado se denomina vapor saturado, también llamado vapor saturado seco, o también a veces “vapor seco” para distinguirlo del vapor húmedo. Los valores indicados en las tablas de vapor se refieren a este estado específico
Las características físicas del vapor saturado se utilizan casi siempre al diseñar intercambiadores de calor en la práctica, o al calcular la demanda de vapor de los procesos térmicos.
Sin embargo, en realidad el vapor saturado sólo se produce precisamente en el límite de fase. Aunque se enfríe muy poco a la misma presión, se convierte en vapor húmedo o, si se calienta muy poco, en vapor sobrecalentado. No obstante, si los estados del vapor están próximos al límite de fase, las características físicas del vapor saturado pueden utilizarse para realizar cálculos a la hora de diseñar un sistema de vapor.
Diagrama de los estados del agua o del vapor en el gráfico temperatura-entalpía (diagrama T-h) con las designaciones técnicas de las superficies
Vapor húmedo
El vapor húmedo es una mezcla de las fases líquida y gaseosa del agua. El vapor con una fracción másica de agua muy baja, de hasta un 3% aproximadamente, también se denomina en círculos técnicos vapor saturado. Este es el estado más común del vapor que se utiliza en los sistemas industriales para calentar productos.
Cuando el vapor sale de la caldera, arrastra pequeñas gotas de agua, lo que significa que el vapor tiene un contenido residual de humedad, es decir, una fracción líquida (del 1 al 3 % de la masa total). Este contenido de humedad residual puede reducirse a aproximadamente el 0.1 % de la cantidad de vapor a la salida de la caldera, instalando, por ejemplo, secadores de vapor.
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Cuando el contenido de humedad residual es ≤3%, en los círculos técnicos se sigue hablando de vapor saturado y no de vapor húmedo. El contenido de humedad residual es la fracción de masa de agua con referencia a la masa total de la mezcla de agua y vapor. Además del contenido de humedad residual, también se utiliza la expresión fracción de vapor x para referirse a la proporción de vapor en la mezcla de agua/vapor. Se expresa mediante la fórmula siguiente: Ejemplo en el límite del vapor saturado técnico: |
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Cuando el contenido de humedad residual es ≤3%, en los círculos técnicos se sigue hablando de vapor saturado y no de vapor húmedo. El contenido de humedad residual es la fracción de masa de agua con referencia a la masa total de la mezcla de agua y vapor. Además del contenido de humedad residual, también se utiliza la expresión fracción de vapor x para referirse a la proporción de vapor en la mezcla de agua/vapor. Se expresa mediante la fórmula siguiente: Ejemplo en el límite del vapor saturado técnico: |
Debido a las pérdidas de calor al medio ambiente que se producen en todas las tuberías de vapor, parte del vapor se condensa de nuevo, lo que significa que en este caso siempre existe vapor demasiado húmedo con una pequeña fracción de agua en las tuberías. Esta fracción de agua debe eliminarse del vapor a intervalos adecuados mediante válvulas de control y tramos verticales de tuberías (por ejemplo, con purgadores de condensados).
El vapor húmedo con una fracción másica de vapor muy baja se produce, por ejemplo, durante la reevaporación aguas abajo de los purgadores de condensados de tipo flotador. En este caso es especialmente importante tener en cuenta que el volumen aumenta considerablemente durante la reevaporación. Esto debe tenerse en cuenta al dimensionar las tuberías de condensado.
Vapor sobrecalentado
Si el vapor saturado se calienta más, la temperatura del vapor aumenta con la misma presión. Se habla entonces de vapor caliente o vapor sobrecalentado. El vapor sobrecalentado puede generarse en calderas pirotubulares utilizando el módulo de sobrecalentamiento adicional. En este caso pueden alcanzarse temperaturas ≤ 100 K por encima de la temperatura del vapor saturado.
El vapor sobrecalentado se utiliza para accionar turbinas de gas o distribuir vapor a distancias muy grandes, ya que la condensación sigue sin producirse a pesar de la pérdida de calor.
Sin embargo, hay que tener en cuenta que la transferencia de calor del vapor sobrecalentado hasta el inicio de la condensación es menor. Por este motivo, el vapor sobrecalentado es un poco menos adecuado para el calentamiento en intercambiadores de calor que el vapor saturado.
Vapor de alta o baja presión
El vapor con una presión de p ≤0.5 bar (1.5 bara, 110°C) se denomina vapor de baja presión. El vapor con una presión de p >0.5 bar se denomina vapor de alta presión. Esta diferenciación se debe exclusivamente a las normas de instalación y funcionamiento de los sistemas de calderas de vapor, ya que para el vapor de alta presión se aplican condiciones específicas de funcionamiento, instalación y control. Como la densidad del vapor de baja presión es muy baja y las tuberías, válvulas y aparatos deben tener un tamaño muy generoso para permitirlo, normalmente sólo se utiliza para pequeñas producciones de vapor (hasta aproximadamente 3 t/h) y distancias cortas.
Vapor culinario
El vapor culinario es vapor saturado técnico con el requisito adicional de que no se utilizan agentes dosificadores de vapor volátil para la alcalinización y la fijación del oxígeno residual.
Se utiliza, como su nombre indica, para el procesamiento de alimentos para personas y animales. Este vapor puede entrar en contacto directo con los alimentos (por ejemplo, al pelar patatas).
Vapor puro
El vapor puro, también denominado vapor ultrapuro, se genera en evaporadores especiales de acero inoxidable que se calientan con vapor saturado normal.
Se utiliza en situaciones en las que existen requisitos estrictos en relación con la esterilidad del vapor (por ejemplo, en hospitales para la esterilización de instrumentos quirúrgicos o en la industria farmacéutica).
Vapor de expansión
El vapor de expansión se produce en muchos puntos del sistema de una caldera de vapor, por lo que debe tenerse en cuenta.
Esto ocurre en el vaso de expansión de purga o en los depósitos de condensado, entre otros lugares, donde el vapor de expansión provoca pérdidas de calor. Las pérdidas de vapor de expansión pueden reducirse tomando las medidas adecuadas de recuperación de calor.
La reevaporación del agua hirviendo se aprovecha conscientemente en los acumuladores de vapor para proporcionar cantidades muy grandes de vapor.
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Vapor de expansión/re-evaporación: Si la presión del agua caliente en estado líquido se reduce por debajo de la presión de ebullición, parte del agua se evapora y se separa en fase líquida y vapor. Durante este proceso, la temperatura del agua y del vapor se reduce a la temperatura de ebullición de la presión aplicada. Este efecto físico suele denominarse reevaporación. |
Ejemplo:
El agua a una temperatura de T = 195°C se expande a una presión de p = 4 bar. La entalpía (energía) del sistema permanece constante durante la expansión. Al mismo tiempo, la masa del sistema también permanece constante, por lo que puede establecerse un balance energético en forma de balance entálpico.
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Energía en el sistema antes de la expansión = energía en el sistema después de la expansión |
