El vapor es un gas invisible generado mediante la adición de energía (calor) al agua en el interior de una caldera.

Se debe añadir suficiente calor para elevar la temperatura del agua hasta la temperatura de ebullición. A partir de este punto, si se continúa aportando energía, no se modificará la temperatura, sino que se convertirá el agua en vapor. Es decir, esta energía se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de temperatura.

El vapor es un medio muy eficiente y fácilmente controlable de transportar energía. En entornos industriales, este transporte se realizar entre una localización central (caldera) hasta un número variable de putos donde se utiliza esa energía en forma de calor para aumentar la temperatura del aire, de agua o en otros procesos industriales.

Tal y como se ha indicado, la energía adicional aportada para convertir el agua en vapor es la que se utilizará posteriormente para calentar aire, cocinar tomates, planchar sábanas o calentar un rodillo secador de papel.

El calor requerido para conseguir que el agua en ebullición se convierta en vapor se denomina calor latente de vaporización. La cantidad es diferente para cada combinación de presión y temperatura, tal y como se muestra en las tablas de vapor.

El calor fluye desde las zonas con mayores temperaturas hasta las zonas con menor temperatura en un proceso denominado transferencia de calor.

Empezando en la cámara de combustión de la caldera, el calor fluye a través de los tubos y de las paredes del hogar hacia el agua que los rodea. En este punto es cuando se genera el vapor.

Cuando la alta presión en la caldera desplaza el vapor hacia el exterior de la misma, se produce un aumento de temperatura en las tuberías de distribución. En este punto, el calor fluye desde el vapor hacia el aire que rodea a las tuberías atravesando las paredes metálicas de las mismas. Éste es el motivo por el cual una parte del vapor vuelve a convertirse en agua, lo que se denomina condensado. Para evitarlo, las tuberías de vapor deben estar correctamente aisladas para minimizar éstas pérdidas por transferencia de calor indeseadas al aire circundante.

El vapor puede utilizarse directamente, donde el vapor entra en contacto directo con el producto que se desea calentar o indirectamente, donde el vapor no entra en contacto directo y se utilizan sistemas que permiten un intercambio adecuado de calor.

Cuando el vapor alcanza estos intercambiadores de vapor o las diferentes máquinas consumidoras de energía, la historia es diferente. En este caso, la trasferencia de calor entre el vapor y otros puntos es deseable. Nada debe interferir en la transferencia de calor entre el vapor y el aire, entre el vapor y el agua o entre el vapor y cualquier elemento que se quiera calentar.

Caloría:

La caloría (símbolo cal) es una unidad de energía del Sistema Técnico de Unidades, basada en el calor específico del agua. Se define como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua pura en 1 °C , a una presión normal de una atmósfera.

Julio:

es la unidad derivada del Sistema Internacional utilizada para medir energía, trabajo y calor. 1 kilocaloría (kcal) equivale a 4186,8 Julios (J)

Temperatura:

Es la magnitud referida a las nociones comunes de calor medible mediante un termómetro. Se define como el grado o nivel térmico de un cuerpo. No implica cantidad de energía en forma de calor disponible.

Calor:

Es la energía transferida de un sistema a otro (o de un sistema a sus alrededores) debido en general a una diferencia de temperatura entre ellos.

Vapor saturado:

Es vapor puro a la temperatura a la que corresponde la temperatura de vaporización del agua a la presión existente

Presión absoluta y presión manométrica:

La presión absoluta es la presión en bar indicada sobre el vacío perfecto. La presión manométrica (barg) se indica sobre la presión atmosférica.

Entalpía específica del vapor saturado:

Energía total requerida para generar vapor saturado partiendo de agua a 0ºC

Tal y como se indicaba en el primer capítulo, si el agua se continua calentando más allá de su punto de vaporización, ésta se convierte en vapor (o agua en estado gaseoso). Sin embargo, existen varios tipos de vapor y sus propiedades físicas variarán en función de la presión y temperatura a la que se encuentre.

Tal y como se puede observar en la gráfica, el vapor saturado se presenta a presiones y temperaturas donde pueden coexistir juntos el agua en estado líquido y gaseoso.

La utilización del vapor saturado seco tiene varias ventajas prácticas. Por ejemplo, es posible controlar la temperatura de la caldera mediante la regulación de la presión.

Sin embargo, a efectos prácticos, en las plantas industriales es más común obtener vapor saturado húmedo. Esta parte líquida proviene de partículas de agua no vaporizadas que son arrastradas hacia las líneas de distribución. Generalmente las calderas industriales producen vapor conteniendo en torno a un 3% o 5% de humedad.

Título de vapor

Al porcentaje en masa de vapor en una mezcla líquido-vapor se denomina “título de vapor”. Para el dato anterior, hablaríamos de un título de vapor de entre 0.95 y 0,97.

El vapor saturado (100% seco) contiene 100% del calor latente disponible a la presión dada.

Es por ello que es necesario extraer la mayor cantidad posible de humedad del sistema de vapor, ya que la eficiencia de la transferencia de calor puede verse reducida considerablemente cuanto mayor sea la humedad contenida en el vapor.

Adicionalmente, el condensado generado en las tuberías hace que el vapor húmedo se vuelva aún más húmedo, formando más condensado que empeora considerablemente el rendimiento.

En un sistema de tuberías de vapor correctamente dimensionado es necesario disponer de equipos separadores de agua para evitar lo indicado anteriormente.

Otra forma de vapor es el vapor sobrecalentado (ver diagrama). Este vapor se crea mediante el sobrecalentamiento del vapor saturado hasta alcanzar un punto mayor al de saturación. Esto da como resultado un vapor a una mayor temperatura que el vapor saturado a una misma presión. Este vapor no se suele utilizar en aplicaciones de intercambio de calor  y es mas adecuado para aplicaciones de movimiento o impulso como son las turbinas.

Por último, el denominado vapor flash es el vapor que se forma a partir del condensado caliente cuando se produce una reducción en la presión. Este condensado a altas temperaturas contiene una gran cantidad de energía que no puede mantenerse en estado líquido a presiones inferiores, ya que se ha traspasado la línea del vapor saturado. El resultado es que en un sistema con agua condensada se genera un porcentaje de vapor flash cuando se reduce la presión.

Las calderas de vapor son recipientes en los cuales el agua es calentada para producir vapor. Son equipos donde se realiza una transformación de energía de cualquier fuente (generalmente combustibles sólidos, líquidos o gaseosos) en energía utilizable y transportable.

El calor se transfiere al agua no solo por el contacto directo entre la llama y el cuerpo de la caldera que contiene el agua, es decir por conducción, sino que se produce también un intercambio por radiación desde la llama a las paredes del hogar y otro por convección, ya que los humos producidos en la combustión y que poseen altas temperaturas calientan las partes metálicas bañadas por el agua.

La caldera es un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas intercambiador de calor, en el cual se produce un cambio de fase. Además, es recipiente de presión, por lo cual es construida principalmente en acero al carbono.

Existen multitud de diseños de calderas, aunque en general pueden ser agrupados en:

• Acuotubulares: Son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza por el interior de unos tubos durante su calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya que permiten altas presiones a su salida y tienen gran capacidad de generación.
• Pirotubulares: En este tipo, el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente atravesado por tubos, por los cuales circulan gases a alta temperatura, producto de un proceso de combustión. El agua se evapora al contacto con los tubos calientes, debido a la circulación de los gases de escape por el interior de los mismos.

En la figura anterior se representa una caldera provista de quemador, en la que se aprecian las siguientes partes:

 

Quemador (1): es el encargado de quemar un combustible líquido, gas o sólido produciendo una llama.

Hogar o cámara de combustión (2): es donde se quema el combustible y donde se alcanzan las temperaturas más altas, próximas a los 2.000 ºC.

Circuito de humos (3): cumple la doble misión de conducir los humos que se producen en la combustión hacia la caja de humos y de arrebatarles el mayor calor posible para luego cedérselo al agua (dejarlos salir directamente a la atmósfera acarrearía entre otros inconvenientes una gran pérdida de energía, al desperdiciar el calor que poseen).

Para aumentar al máximo el intercambio de calor entre los gases y el agua, el circuito de humos tendrá la mayor superficie posible y se realizará de forma que disminuya en lo posible la velocidad de salida de los gases.

Esto se logra obligando a los gases a dar varias vueltas antes de dejarlos salir e intercalando a su paso ciertos elementos denominados turbuladores que les dificultan el paso frenándolos.

Caja de humos (4): es la zona en la que confluyen todos los humos para ser enviados posteriormente hacia el exterior por la chimenea

Salida de vapor (5): una vez que el agua ha entrado en la caldera y se ha vaporizado es enviada hacia la instalación.

Bomba: Es el equipo encargado de introducir agua en estado líquido en la caldera para reemplazar el volumen de vapor que ha abandonado la misma para su consumo.

Instrumentación: Centralizado en el cuadro eléctrico, se realiza el control automático de la caldera, incluyendo los niveles, arranque y paro de la bomba, actuación del quemador, seguridades, etc.