¿Qué es el vapor sobrecalentado y cuáles son sus usos en la industria?

Si el vapor saturado generado en una caldera se expone a una superficie con una temperatura más alta, su temperatura aumentará por encima de la temperatura de evaporación. A este vapor se le conoce como sobrecalentado por los grados de temperatura a los que se ha calentado por encima de la temperatura de saturación.

No se puede transmitir el sobrecalentamiento al vapor cuando todavía contenga agua, ya que cualquier calor adicional simplemente evaporaría más agua.

El vapor saturado debe pasar a través de un intercambiador de calor adicional. Puede ser una segunda etapa de intercambio de calor en la caldera o un sobrecalentador separado. El medio de calentamiento primario puede ser o bien los gases calientes de la combustión en la caldera o puede ser calentado por separado.

El vapor sobrecalentado tiene sus aplicaciones, por ejemplo en turbinas, donde el vapor se dirige por boquillas sobre un rotor. Esto hace que el rotor gire. La energía para que esto suceda sólo puede venir del vapor. Lógicamente, el vapor tiene menos energía después de que haya pasado por el rotor de la turbina. Si el vapor estaba a temperatura de saturación, esta pérdida de energía haría que parte del vapor se condense.

Las turbinas tienen varias etapas, el vapor que sale del primer rotor se dirige a un segundo rotor en el mismo eje. Esto significa que el vapor saturado se va haciendo más húmedo según va pasando a través de las etapas. Esto no sólo potencia la formación de golpes de ariete, sino que las partículas de agua podrían provocar una erosión grave dentro de la turbina. La solución es suministrar a la turbina vapor sobrecalentado en la entrada y el usar la energía de la parte de sobrecalentado para accionar el rotor hasta que las condiciones de temperatura/presión están cerca de la saturación y en ese momento se descarga el vapor.

Otra razón muy importante para usar vapor sobrecalentado en turbinas es para mejorar la eficiencia térmica.

El rendimiento termodinámico de un motor térmico, como una turbina, se puede determinar utilizando una de dos teorías:

• El ciclo de Carnot, donde se compara el cambio en la temperatura del vapor entre la entrada y la salida con la temperatura de entrada.
• El ciclo de Rankine, donde se compara el cambio en la energía térmica del vapor entre la entrada y la salida con la energía total extraída del vapor.

 

Tablas de vapor sobrecalentado

Las tablas de vapor sobrecalentado muestran las propiedades del vapor a diferentes presiones de la misma manera que las tablas de vapor saturado. Sin embargo, con el vapor sobrecalentado no existe una relación directa entre temperatura y presión. Por lo tanto, a una presión determinada, existe la posibilidad de que el vapor sobrecalentado exista en una amplia gama de temperaturas.

En general, en las tablas de vapor saturado se usa presión manométrica y en las tablas de vapor sobrecalentado se usa presión absoluta. A continuación, un extracto de las tablas de vapor sobrecalentado.

Incrustaciones

Las incrustaciones son causadas por la acumulación de depósitos calcáreos en la superficie de transferencia de calor añadiendo una resistencia al paso de calor. Muchos de los líquidos de proceso pueden depositar lodos o incrustaciones en las superficies de calefacción y lo harán a un ritmo más rápido con temperaturas más altas. Además, el vapor sobrecalentado es un gas seco.

El calor que fluye desde el vapor a la pared de metal debe pasar a través de las películas estáticas que se adhieren a la pared, creando una resistencia al paso de calor.

En contraste, la condensación de vapor saturado provoca un movimiento del vapor hacia la pared y libera grandes cantidades de calor latente justo en la superficie de condensación.

La combinación de estos factores significa que las tasas globales de transferencia de calor son mucho más bajas cuando hay presencia de vapor sobrecalentado, a pesar de que la diferencia de temperatura entre el vapor y el fluido secundario sea mayor.

 

Otras aplicaciones que utilizan vapor sobrecalentado

Todo lo anterior se aplica cuando el vapor fluye a través de un paso relativamente estrecho, como los tubos de un intercambiador de calor de tubos o las placas en un intercambiador de calor de placas.

En algunas aplicaciones, por ejemplo un cilindro secador en una máquina de papel, se admite vapor sobrecalentado en un mayor volumen, cuando su velocidad cae en picado a valores muy pequeños.

Aquí, la temperatura del vapor cerca de la pared del cilindro desciende rápidamente hasta cerca de la de saturación y comienza la condensación. La transmisión de calor a través de la pared es la misma que si se suministra vapor saturado al cilindro. El sobrecalentamiento sólo está presente en el ‘núcleo’ del espacio vapor y no tiene ningún efecto discernible en las tasas de transferencia de calor.

Hay casos en los que la presencia de sobrecalentamiento puede realmente reducir el rendimiento de un proceso, donde se utiliza vapor como una materia de proceso.

Uno de estos procesos puede implicar añadir humedad al producto desde el vapor al condensarse, como el acondicionamiento de piensos para animales antes de peletizar. Aquí la humedad proporcionada por el vapor es una parte esencial del proceso; el vapor sobrecalentado secaría excesivamente la molienda y haría difícil la peletización.

 

Los efectos de la reducción de presión de vapor para añadir sobrecalentamiento

Además de la utilización de un intercambiador de calor adicional (generalmente llamado un ‘sobrecalentador’), también se puede añadir sobrecalentamiento al vapor permitiendo que se expanda a una presión más baja a medida que pasa a través del orificio de una válvula reductora de presión. A esto se le llama un proceso de estrangulación con el vapor a una presión inferior y con la misma entalpía (aparte de una pequeña cantidad perdida por la fricción al pasar a través de la válvula) que el vapor aguas arriba de alta presión. Sin embargo, la temperatura del vapor ‘estrangulado’ siempre será menor que la del vapor de entrada.

El título del vapor ‘estrangulado’ dependerá de:

• La presión del vapor de entrada.
• El título del vapor de entrada.
• La caída de presión a través del orificio de la válvula.

Para un suministro de vapor saturado seco por debajo de 30 bar r, cualquier caída en la presión producirá vapor sobrecalentado después del estrangulamiento. El grado de sobrecalentamiento dependerá de la reducción de presión.

Para un suministro de vapor saturado seco por encima de 30 bar r, el vapor estrangulado podría estar sobrecalentado, saturado seco, o incluso húmedo, dependiendo de la caída de presión. Por ejemplo, vapor seco saturado a 60 bar r tendría que ser reducido a aproximadamente 10,5 bar r para producir vaporsaturado seco. Una caída de presión menor produciría vapor húmedo, mientras que una caída de presión mayor produciría vapor sobrecalentado.

De todas maneras, el título del vapor de entrada a cualquier presión va a influir en el título del vapor estrangulado. Por ejemplo, vapor húmedo a una presión de 10 bar r y un título de 0,95 tendría que ser reducido a 0,135 bar r para producir vaporsaturado seco. Una caída de presión menor produciría vapor húmedo, mientras que una caída de presión mayor sobrecalentaría el vapor estrangulado.

Uso del diagrama de Mollier para el vapor sobrecalentado 

El diagrama de Mollier es una gráfica de la entalpía específica de vapor en función de su entropía específica (sg).
La figura anterior nos muestra una versión a pequeña escala y simplificada del diagrama de Mollier. El diagrama de Mollier muestra muchas relaciones diferentes entre entalpía, entropía, temperatura, presión y título del vapor. Puede parecer ser bastante complicado, debido al número de líneas:

• Líneas de entalpía constante (horizontal).
• Líneas de entropía constante (vertical).
• La curva de saturación de vapor que cruza el centro del diagrama divide entre una zona de vapor sobrecalentado y una zona de vapor húmedo. Cualquier punto por encima de la curva de saturación del vapor será sobrecalentado y cualquier punto por debajo de la curva de saturación del vapor será húmedo. La curva de saturación en sí representa el estado de vapor saturado seco a diferentes presiones.
• Líneas de presión constantes en ambas zonas.
• Líneas de temperatura constante en la zona de sobrecalentamiento.
• Líneas de título de vapor (χ) en la zona húmeda.

Una expansión perfecta, por ejemplo dentro de una turbina de vapor o un motor de vapor, es un proceso isoentrópico y se puede representar en el diagrama trazando una línea en vertical hacia abajo desde un punto que representa el estado inicial hasta un punto que representa el estado final.

Un proceso de regulación perfecta, por ejemplo a través de una válvula reductora de presión, es un proceso isoentálpico constante. Se puede representar en el diagrama trazando una línea en horizontal de izquierda a derecha, desde un punto que representa el estado inicial hasta un punto que representa el estado final.

Estos dos procesos implican una reducción de presión, pero la diferencia radica en la forma en que se logra.

Los dos ejemplos que se muestran en las siguientes figuras, ilustran la ventaja de usar el diagrama para analizar los procesos de vapor, proporcionan una representación gráfica de estos procesos. No obstante, los procesos de vapor también pueden ser representados numéricamente por los valores de las tablas de vapor sobrecalentado. 

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