Download - Vapor Termodinamica
I. INTRODUCCIÓN
El agua es una sustancia que en condiciones moderadas de presión y
temperatura se presenta en los tres estados de agregación. Su importancia para
la vida no es necesario remarcarla, pero también es fundamental en la inmensa
mayoría de los procesos químicos y de ingeniería. No solo es el disolvente
universal sino que también es usada en circuitos de refrigeración, ciclos de
potencia, y en multitud de aparatos y operaciones en los que absorben o cede
energía, con o sin cambios de fase.
Por tanto, el conocimiento de sus propiedades termodinámicas y de transporte
es fundamental en esta rama de la ingeniería química y, aunque este estudio no
es propio de una asignatura de "Operaciones Básicas", es imprescindible para
poder encarar con un mínimo de garantías el tema de la evaporación que se
pretende desarrollar.
La medida experimental y el cálculo analítico de las propiedades de los cuerpos
son tareas costosas; por ello, solo se poseen datos relativamente completos de
los cuerpos que tienen aplicación industrial, y entre ellos, como se ha citado, el
agua, sobre todo a partir del desarrollo de las máquinas y generadores de vapor.
II. MARCO TEÓRICO
II.1. ¿QUÉ ES EL VAPOR DE AGUA?
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 (ej. Uniones de hidrógeno) que las mantienen juntas.
II.2. ¿CÓMO FUNCIONA EL VAPOR DE AGUA?
En el agua líquida, las moléculas de H2O están siendo unidas y separadas
constantemente. Sin embargo, al calentar las moléculas de agua, las uniones
que conectan a las moléculas comienzan a romperse más rápido de lo que
pueden formarse. Eventualmente, cuando suficiente calor es suministrado,
algunas moléculas se romperán libremente. Estas moléculas "libres" forman el
gas transparente que nosotros conocemos como vapor, o más específico vapor
seco.
II.2.1. VAPOR HUMEDO VS VAPOR SECO
En industrias usuarias de vapor, existen dos términos para el vapor los cuales
son, vapor seco (también conocido como "vapor suturado") y vapor húmedo.
Vapor seco aplica a vapor cuando todas sus moléculas permanecen en
estado gaseoso.
Vapor húmedo aplica cuando una porción de sus moléculas de agua han
cedido su energía (calor latente) y la condensado forma pequeñas gotas de
agua.
Tome por ejemplo una pequeña tetera con agua a su punto de ebullición. El
agua primeramente es calentada, y conforme el agua absorbe más y más calor,
sus moléculas se agitan más y más y empieza a hervir. Una vez que suficiente
energía es absorbida, se evaporiza parte del agua, lo que puede representar un
incremento de tanto como 1600X en volumen molecular.
En algunas ocasiones se puede observar una pequeña neblina saliendo de la
boquilla de la tetera. Esta neblina es un ejemplo de que tan seco es el vapor,
cuando se libera en una atmosfera más fría, pierde un poco de su energía al
transferirla al aire. Si se pierde suficiente energía las uniones intermoleculares
se empiezan a formar nuevamente, y se pueden observar pequeñas gotas de
agua en el aire. Esta mezcla de agua en estado líquido (pequeñas gotas) y
estado gaseoso (vapor) recibe el nombre de vapor húmedo.
Fig. 1. Vapor húmedo vs Vapor seco
II.2.2.
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 está sujeta.
Fig.2. Relación presión-temperatura del Agua y Vapor
Los resultados del vapor saturado (seco) cuando el agua es calentada al punto
de ebullición (calor sensible) y después evaporada con calor adicional (calor
latente). Si este vapor es posteriormente calentado por arriba del punto de
saturación, se convierte en vapor sobrecalentado (calor sensible).
A. 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 más elevadas. Algunas
de estas son:
Propiedad Ventaja
Calentamiento equilibrado a través
de la transferencia de calor latente y
Rapidez
Mejora la productividad y la calidad del
producto
La presión puede controlar la
temperatura
La temperatura puede establecerse rápida y
precisamente
Elevado coeficiente de transferencia
de calor
Área de transferencia de calor requerida es
menor, permitiendo la reducción del costo
inicial del equipo
Se origina del agua Limpio, seguro y de bajo costo
Tips de vapor saturado
Habiendo dicho esto, es necesario tener presente lo siguiente cuando se
calienta con vapor saturado:
La eficiencia de calentamiento se puede ver reducida si se usa un vapor
diferente al vapor seco para los procesos de calentamiento. Contrario a la
percepción común, virtualmente no todo el vapor generado en una caldera
es vapor seco, si no vapor húmedo, el cual contiene algunas moléculas de
agua no vaporizadas.
La perdida de calor por radiación ocasiona que una parte del vapor se
condense. Por lo tanto el vapor húmedo generado se vuelve aun más
húmedo, y también se forma más condensado, el cual debe ser removido al
instalar trampas de vapor en las locaciones apropiadas.
Condensado el cual es más pesado caerá del flujo de vapor y puede ser
removido a través de piernas de condensado y trampas de vapor. Sin
embargo, el vapor húmedo que es arrastrado reducirá la eficiencia de
calentamiento, y deberá ser removido por medio de estaciones de
separación en el punto de uso o en la distribución.
El vapor que incurre en pérdidas de presión debido a exceso de fricción en
la tubería, etc., podría resultar también en su correspondiente perdida en
temperatura.
B. VAPOR HUMEDO
Esta es la forma más 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.
C. 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.
Ventajas para usar Vapor sobrecalentado para impulsar turbinas
Para mantener la sequedad del vapor para equipos impulsados por vapor,
para los que su rendimiento se ve afectado por la presencia de condensado
Para mejorar la eficiencia térmica y capacidad laboral, ej. Para lograr
mayores cambios en el volumen especifico del estado sobrecalentado a
menores presiones, incluso a vacío.
Es ventajoso tanto como para suministro así como para la descarga de vapor
mientras que se encuentre en el estado de sobrecalentamiento ya que el
condensado no se generara dentro del equipo impulsado por vapor durante una
operación normal, minimizando así el riesgo a daños ocasionados por la erosión
o la erosión acido carbónica. Además, como la eficiencia térmica teórica de la
turbina es calculada del valor de la entalpía a la entrada y a la salida de la
turbina, incrementando el grado de sobrecalentamiento así como la presión
incrementa la entalpía a la entrada de la turbina, y es por lo tanto efectiva al
mejorar la eficiencia térmica.
Desventajas de usar vapor sobrecalentado para calentamiento
Propiedad Desventaja
Bajo coeficiente de
transferencia de calor
Reduce la productividad
Se requiere un superficie mayor para la transferencia
de calor
Temperatura variable aun a
una presión constante
El vapor sobrecalentado requiere mantener una
velocidad elevada, de lo contrario la temperatura
disminuirá ya que se perderá el calor del sistema
Calor sensible utilizado
para la transferencia de
calor
Las caídas de temperatura pueden tener un impacto
negativo en la calidad del producto
La temperatura podría ser
extremadamente elevada
Se podrían requerir materiales más fuertes para la
construcción de equipos, requiriendo un mayor costo
inicial.
Por estas y otras razones, se prefiere al vapor saturado por sobre el vapor
sobrecalentado como medio de calentamiento en intercambiadores de calor y
otros equipos de transferencia de calor. Por otro lado, desde el punto de vista de
usarlo como fuente de calor para un calentamiento directo como un gas de alta
temperatura, tiene algunas ventajas por sobre el aire caliente como que puede
ser usado como fuente de calentamiento bajo las condiciones de libre de oxigeno.
De igual manera se realizan investigaciones para el uso de vapor sobrecalentado
en aplicaciones de industrias procesadoras de alimentos tales como el cocimiento
y el secado.
D. AGUA SUPERCRÍTICA
El agua supercrítica es agua en estado que excede su punto crítico: 22.1MPa,
374 °C (3208 psia, 705°F). En el punto crítico, el calor latente del vapor es
cero, y su volumen específico es exactamente igual ya sea que se considere
como gas o líquido. En otras palabras, el agua que se encuentra a una presión
y temperatura mayor que la de su punto crítico es un estado indistinguible en el
cual no es líquido o gas.
El agua supercritica es utilizada para impulsar turbinas en plantas de energía
que demandan mayor eficiencia. Investigaciones sobre agua supercritica se
realizan con un énfasis hacia su uso como fluido que tiene propiedades tanto
de líquido y gas, y en particular que es adecuado para su uso como solvente
para reacciones químicas
II.2.3. VARIOS ESTADOS DEL AGUA
A. AGUA NO SATURADA
Esta es agua en su estando mas reconocido. Aproximadamente 70% del peso del
cuerpo humano es de agua. En la forma líquida del agua, las uniones de
hidrogeno mantienen unidas las moléculas de hidrogeno. Como resultado, el
agua No-saturada posee una estructura relativamente densa, compacta y
estable.
B. AGUA SATURADA
Las moléculas saturadas de vapor son invisibles. Cuando el vapor saturado es
liberado a la atmosfera al ser venteado de una tubería, parte de él se condensa
al transferir su calor al aire circundante, y se forman nubes de vapor blanco
(pequeñas gotas de agua). Cuando el vapor incluye estas pequeñas gotas de
agua, se le llama vapor húmedo.
En un sistema de vapor, el vapor es liberado por las trampas de vapor es
generalmente confundido con vapor (vivo) saturado, mientras que en realidad
es vapor flash. La diferencia entre los dos es que el vapor saturado es invisible
inmediatamente a la salida de la tubería mientras que el vapor flash contiene
pequeñas gotas de agua que se forman una vez expuesto al ambiente.
C. VAPOR SOBRECALENTADO
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 más calor que el vapor saturado a la misma presión, y
el movimiento de sus moléculas es mucho más rápido por lo tanto tiene menor
densidad (ej. su volumen especifico es mayor)
D. AGUA SUPER CRÌTICA
A pesar de que no es posible de identificar por confirmación visual, esta es agua
en una forma en la cual no es ni liquido ni gas. La idea general es de un
movimiento molecular que es cercano al gas, y una densidad que es cercana a la
de un líquido.
II.2.4. APLICACIONES PRINCIPALES DEL VAPOR DE AGUA
El vapor es usado en un gran rango de industrias. La aplicaciones más
comunes para el vapor son, por ejemplo, procesos calentados por vapor en
fábricas 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:
A. 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, precalentadores de aire de combustión, y otros tipos de equipos de
transferencia de calor.
B. Intercambiador de Calor de Tubos y Coraza
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.
C. Horno de Vapor
Vapor sobrecalentado entre 200 – 800°C (392 - 1472°F) a presión atmosférica
es particularmente fácil de manejar, y es usado en los hornos domésticos de
vapor vistos hoy en dia en el mercado.
D. 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 más 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.
E. Calentamiento con Calor (Vapor) Latente
Comparado con un sistema de calentamiento de agua caliente, este sistema
ofrece rapidez, calentamiento balanceado. Se alcanza rápidamente la
temperatura deseada sin ocasionar un desbalance en la temperatura en sí.
F. Vapor para Impulso/Movimiento
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 alta
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.
G. Generador de Turbina
La fuerza motriz del vapor ocasiona que los alabes giren, lo que ocasiona rote
el rotor que se encuentra acoplado al generador de energía, y esta rotación
genera la electricidad.
H. Vapor como Fluido Motriz
El vapor puede ser usado de igual manera como una fuerza “motriz” para
mover flujos de líquido 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).
I. Eyector para Condensador de Superficie
Vapor motriz de alta presión entra el eyector a través de la tobera de entrada y
es distribuido. Esto genera una zona de baja presión la cual arrastra aire del
condensador de superficie.
En un tipo similar de aplicación, el vapor también es el fluido motriz primario
para los drenadores de presión secundaria, los cuales son usados para
bombear el condensado de tanques receptores ventilados, tanques de flasheo,
o equipos de vapor que experimentan condiciones de Stall (inundación).
II.2.4.1. 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 más eficiente. También los quemadores (elevados) comúnmente
utilizaran la atomización de vapor para reducir los contaminantes a la salida
2.2.4.2 Quemador Asistido por Vapor
En quemadores, generalmente el vapor es mezclado en el gas de desperdicio
antes de la combustión.
2.2.4.3 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.
Limpieza de la Tubería de la Caldera con los Sopladores de hollín
El vapor liberado fuera de la tobera del soplador de hollín desaloja la ceniza y
suciedad seca, la cual caerá en las tolvas o será arrastrado y expulsado con los
gases de combustión.
2.2.4.4 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.
2.2.4.5 Molino Acondicionador de Bolitas
La hidratación del alimento lo suaviza y gelatiniza parcialmente el almidón
contenido en los ingredientes, resultando en bolitas más firmes.
2.2.4.6 Vapor para Humidificación
Muchas grandes instalaciones industriales y comerciales, especialmente en
climas más 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 confort 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.
2.2.4.7 Humidificador de Vapor en Ductos de Aire
El vapor usado para humidificar el aire dentro de un conducto de aire antes de
ser distribuido hacia otras áreas de un edificio.
III. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
www.tlv.com/global/LA/steam-theory/principal-applications-for-
steam.html#toc_9
slideshare.net/GRESIQ/vapor-de-agua.PPT
www.tlv.com/global/LA/steam-theory/types-of-steam.html