Vapor de agua
El vapor es usado en un gran número de industrias. Las aplicaciones más comunes son, por ejemplo, procesos de calentamiento mediante vapor en fábricas y plantas, y turbinas impulsadas por vapor en plantas eléctricas, pero el uso del este fluido en la industria se extiende más allá de las antes mencionadas.
Algunas de las aplicaciones típicas para las industrias son:
- Esterilización/Calentamiento
- Impulso/Movimiento
- Motriz
- Atomización
- Limpieza
- Hidratación
- Humidificación
El vapor generalmente es producido y distribuido en una presión positiva en una caldera. En la mayoría de los casos, esto significa que es suministrado a los equipos en presiones mayores a la presión atmosférica y a temperaturas mayores de 100°C.
Calentamiento
Las aplicaciones de calentamiento para vapor a presión 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.
Propulsión
Adicionalmente, el vapor también 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 aún mayores. Existen algunas plantas termoeléctricas que utilizan vapor sobrecalentado a 250 bar y 610°C.
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.
Fluido motriz
El vapor puede ser usado de igual manera como una fuerza “motriz” para mover flujos de liquido 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)
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 mas eficiente. también los quemadores (elevados) comúnmente utilizaran la atomización de vapor para reducir los contaminantes a la salida.
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.
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, las granuladoras 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.
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 saturado seco en la línea inferior del flujo de aire
Tipos de vapor de agua
Como ya se indicó en el anterior apartado, el agua en determinadas condiciones de presión y temperatura puede presentarse en forma gaseosa, es decir, en forma de vapor.
Se denomina vapor saturado cuando las condiciones de presión y temperatura corresponden a un punto de cambio de estado, en este caso, de líquido a gaseoso. De esta forma, a esa temperatura pueden coexistir partículas en ambos estados.
En la práctica, se denomina vapor saturado seco al que en su interior todas las partículas se encuentran en estado gaseoso y vapor saturado húmedo cunado existen algunas partículas en estado líquido.
Por otra parte, el vapor sobrecalentado es aquel que tiene una temperatura superior a la de saturación. 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.
En la imagen se pueden observar los diferentes estados del agua en función de la presión y temperatura a la que se encuentre.
La línea azul muestra el cambio de fase líquida a fase gaseosa, es decir, la curva del vapor saturado.
Se puede observar que a mayor presión, el cambio de fase se produce a una mayor temperatura.
Ventajas de usar vapor saturado para calentamiento
El vapor saturado tiene varias propiedades que lo hacen una gran fuente de calor, particularmente a temperaturas superiores a 100ºC. Algunas de estas son:
- Calentamiento equilibrado a través de la transferencia de calor latente y con una gran mejora de la productividad y la calidad del producto
- La presión puede controlar la temperatura, pudiendo establecerse rápida y precisamente
- Elevado coeficiente de transferencia de calor. El área de transferencia de calor requerida es menor, permitiendo la reducción
del costo inicial del equipo
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, no todo el vapor generado en una caldera es vapor seco, si no vapor algo húmedo, el cual contiene algunas moléculas de agua no vaporizadas.
La pérdida de calor por radiación ocasiona que una parte del vapor se condense. Por lo tanto, el vapor húmedo generado se vuelve aún más húmedo, y también se forma más condensado, el cual debe ser eliminado instalando purgadores de vapor en los puntos apropiadas.
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 hasta un 3% 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.