Terminología y conceptos técnicos de los sistemas de vapor industrial que todo gerente de planta debe conocer

En este artículo explicamos la terminología y conceptos técnicos de los sistemas de vapor industrial que todo responsable de planta debe conocer. En todas las profesiones, se tienen ciertos términos y conceptos, que tienen un significado especial que deben ser familiares para los técnicos y operadores de una instalación industrial. Conocerlos en detalle permitirán optimizar el rendimiento de los sistemas de vapor dentro de tu industria.

1) Entalpía: Este concepto técnico de los sistemas de vapor industrial es el término que se da a la energía total, debida a la presión y la temperatura, de un fluido o vapor (como el agua o el vapor de agua) en una condición y tiempo dados.

La unidad básica de medida es el joule (J). Como un joule representa una cantidad muy pequeña de energía, usualmente se multiplica por mil, y se habla de kilojoules (KJ).

2) Entalpía específica: Otro concepto técnico de los sistemas de vapor industrial es la entalpía (energía total) de una unidad de masa (usualmente 1 kg). Por tanto, la unidad usual de medida es KJ / kg.

3) Calor específico: Es una medida de la capacidad de una sustan- cia para absorber calor. Es la cantidad de energía (joules) que se requieren para elevar 1oC una masa de 1 kg. Por tanto, el calor específico se expresa en KJ / kg oC.

El calor específico del agua es aproximada- mente 4,19 KJ / kg oC. Esto significa que un incremento en la entalpía de 4,19 KJ elevará 1oC la temperatura de 1 kg de agua.

4) Entropía: La entropía es una medida del orden molecular. Un cambio en la entropía corresponde a un cambio en el orden molecular, u organización de un sistema. Si la entropía aumenta, las moléculas se mueven con mas libertad, por ejemplo, la entropía aumenta cuando un sólido se funde para pasar a líquido, o cuando un líquido se evapora para pasar a gas.

A veces la entropía hace referencia al nivel de desorden de un sistema; alto desorden = alta entropía, y bajo desorden = baja entropía. Las moléculas confinadas en una gota de agua muestran estar en un mayor grado de ordena- miento que si estuvieran dispersas en forma de vapor.

El Segundo Principio de la Termodinámica establece que “La entropía del universo nunca disminuye y aumenta siempre que es posible”. A causa de esta tendencia a aumentar:

• El calor fluye de un objeto caliente a un objeto frío.
• El gas fluye de una fuente de alta presión a un área de baja presión.

5) Presión absoluta y presión manométrica: El estado teórico sin presión de un vacío perfecto es el “cero absoluto”. La presión absoluta es por tanto una presión por encima del cero absoluto. La presión que ejerce la atmósfera es de 1,013 bar al nivel del mar.

La presión manométrica, como se muestra en un manómetro estándar, es la presión sobre la presión atmosférica. Por tanto una presión manométrica de 0 bar (bar r) es el equivalente a 1,013 bar absoluta (bar a). A veces se hace referencia a bar r simplemente como bar.

Otras unidades utilizadas con frecuencia son los kilopascales (kPa), 1 bar = 100 kPa, y el milibar (mbar), 1 bar = 1.000 mbar.

6) Calor y transferencia de calor : El calor es una forma de energía, y como tal, es parte de la entalpía de un líquido o de un gas. La transferencia de calor es el flujo de entalpía de materia a alta temperatura a materia a una temperatura inferior.

7) Densidad del agua saturada: La densidad del agua cambia poco con las variaciones de temperatura. A 100 ºC el agua saturada tiene una densidad específica de 0,958 kg/litro. El agua caliente es ligeramente menos densa que el agua fría.

Una columna de agua de 10,65 m ejercerá una presión de 1 bar r en su base.

Volumen específico: Un de los conceptos técnicos de los sistemas de vapor industrial más importantes es el volumen especifico. Si una masa de 1 kg de agua (1 litro o 0,001 m3 de volumen a 20oC) se convierte en su totalidad en vapor, el resultado será exactamente 1 kg de masa de vapor.

Sin embargo, el volumen ocupado por el vapor será mucho mayor. A presión atmosférica 1 kg de vapor ocupa cerca de 1,673 m3. Cuando la presión del vapor se incrementa, su volumen específico (Vg) decrece. A 10 bar r el volumen específico del vapor es de solo 0,177 m3. Esta relación se ilustra en la Figura que tienes a continuación.

Vapor seco y vapor húmedo: Esta terminología de los sistemas de vapor industria se puede entender mejor revisando Las tablas de vapor que muestran las propiedades del “vapor saturado seco”. Se trata de agua que ha sido completamente evaporada y convertida en vapor, sin que contenga gotas de agua líquida

En la práctica, el vapor suele llevar pequeñas gotitas de agua, y no es totalmente vapor saturado seco.

La calidad del vapor se define por su “porcentaje de vapor seco” – la proporción de vapor completamente seco presente en la muestra bajo consideración. Si se dice que el porcentaje de vapor seco es 0,95, el 95% de su masa será vapor saturado seco, y el 5% será agua. Las gotitas de agua no llevan entalpía específica de evaporación.

La entalpía específica del vapor a 7 bar r con un porcentaje de vapor seco de 0,95 puede calcularse como se muestra en la Formula 1.

Cada kilogramo de vapor “húmedo” contendrá la entalpía completa del agua saturada, 721,4 KJ / kg, pero como solo hay presente 0,95 kg de vapor seco con 0,05 kg de agua, solamente habrá un 95% de la entalpía de evaporación, 2.047,7 KJ / kg.

Esta cifra representa una reducción de 102,4 KJ / kg de la entalpía específica del vapor a 7 bar r, 2.769,1 KJ / kg, que se muestra en las tablas de vapor. El vapor húmedo tiene un contenido de calor sustancialmente inferior que el vapor saturado seco a la misma presión.

Las gotitas de agua contenidas en el vapor tienen peso, pero ocupan un espacio insignificante y por tanto, su efecto sobre el volumen global es pequeño.

El vapor saturado seco es un gas incoloro. Son las gotitas de agua suspendidas en el vapor las que le dan su apariencia blanca nubosa.

Vapor recalentado: Si se sigue aportando calor después de haberse evaporado todo el agua, la temperatura del vapor volverá a elevarse. Al vapor se le llama entonces “recalentado”, y este vapor recalentado puede encontrarse a cualquier temperatura por encima de la del vapor saturado a la presión correspondiente.

El vapor saturado condensará fácilmente sobre cualquier superficie que se encuentre a una temperatura inferior, liberando inmediatamente su entalpía de evaporación.

Cuando el vapor recalentado libera parte de su entalpía, lo hace inicialmente en virtud de una bajada de la temperatura. No se dará la condensación hasta que la temperatura no baje hasta la temperatura de saturación, y la velocidad a la que la energía fluye desde el vapor recalentado es con frecuencia menor que la alcanzada con vapor saturado, aunque su temperatura sea más alta.

El vapor recalentado, debido a sus propiedades, es usualmente la primera opción para los requisitos de generación de energía, mientras que el vapor saturado es ideal para aplicaciones de calentamiento.

Cuando se gestionan sistemas de vapor, es importante que los responsables de plantas y técnicos estén familiarizados con la terminología, unidades y conceptos técnicos de los sistemas de vapor industrial. Estos fundamentos les permitirán dimensional mejor sus sistemas de vapor en las diferentes etapas: Generación de vapor, Distribución de vapor, Equipos que utilizan vapor y la Recuperación y retorno de condensados. Estos conceptos te ayudarán a entender la eficiencia energética en sistemas de vapor industrial para que puedas conseguir mejores resultados.