Cada vez que hierve una tetera de agua, crea vapor.
Sin embargo, en lugar de ser un subproducto de hervir agua, el vapor es una fuente poderosa, versátil y eficiente de energía térmica. Por eso el vapor se usa ampliamente en todas las industrias.
En este artículo, exploraremos dónde se usa el vapor, cómo controlar la energía dentro del vapor y por qué el vapor es tan eficiente para transferir calor a los procesos industriales.
¿Qué industrias usan vapor para energía térmica?
Muchas industrias dependen del vapor para calor o energía térmica. Las empresas y organizaciones usan la energía térmica para proporcionar altas temperaturas para procesos críticos.
En la industria de alimentación y bebidas, el vapor se usa en varias etapas durante la fabricación, incluyendo pasteurización, cocción, limpieza y secado. Por ejemplo, el calor del vapor cocina los frijoles crudos dentro de sus latas.
Mientras que en el sector sanitario, los hospitales usan vapor de alta presión para esterilizar equipos quirúrgicos dentro de un autoclave. El vapor mata microorganismos y esporas, asegurando que los instrumentos médicos sean seguros para usar sin necesidad de químicos.
Estas industrias, y muchas otras, usan vapor debido a sus propiedades únicas como una fuente eficiente de energía térmica.
¿Dónde se produce y usa el vapor?
El vapor se produce en una sala de calderas (A) y se distribuye a través de tuberías a los procesos que necesitan energía térmica. Cada proceso usa un intercambiador de calor (B) para transferir parte de la energía térmica dentro del vapor a ese proceso. El vapor libera esta energía al condensarse contra una superficie más fría y forma un condensado líquido; el líquido retorna a la sala de calderas, donde alimenta la caldera y produce más vapor. Todo el proceso se conoce como el circuito de vapor-condensado.
¿Cuánta energía térmica hay dentro del vapor?
Puede calcular la cantidad de energía térmica dentro del vapor usando las tablas de vapor1. Estas muestran la relación entre presión, temperatura, volumen y sobre todo, cuánta energía contiene el vapor. Con este conocimiento, puede ajustar la energía dentro del vapor para diferentes procesos.
Tablas de vapor
A presión atmosférica, 0 bar g, el agua hierve a 100°C (como en una tetera). La primera fila de las tablas de vapor muestra que se necesitan 419 kJ/kg de energía, conocida como entalpía del agua, para llevar el agua a su punto de ebullición.
Para producir vapor, sin embargo, necesita añadir 2.257 kJ/kg de energía adicionales, que se llama entalpía de evaporación o energía útil. Mientras que la cantidad total de energía dentro del vapor es ahora de 2.676 kJ/kg, solo la energía útil se transferirá al proceso cuando el vapor se condense en un intercambiador de calor.
Las tablas de vapor asumen que está produciendo vapor seco saturado. Sin embargo, también es posible producir vapor húmedo y vapor sobrecalentado, que se muestran en el diagrama de fases del vapor.
Diagrama de fases del vapor
El punto A muestra la información equivalente de la primera línea de las tablas de vapor, donde a 0 bar g se necesitan 419 kJ/kg de entalpía (energía térmica) para que el agua alcance el punto de ebullición de 100°C y comience a evaporarse.
La línea entre el punto A y el punto B muestra el recorrido del agua hirviendo a medida que añade 2.257 kJ/kg de energía térmica. En B, el agua se ha evaporado completamente en vapor seco saturado. La línea roja en el diagrama es la línea de vapor seco saturado. El vapor producido entre A y B es vapor húmedo porque todavía contiene humedad. El vapor a la derecha de la línea de vapor seco saturado es vapor sobrecalentado.
¿Qué tipo de vapor es el más eficiente para la transferencia de calor?
Vapor seco saturado
El vapor seco saturado es el tipo ideal de vapor para la transferencia de calor ya que es el más eficiente para el proceso y crea menos desafíos de ingeniería. El vapor es seco porque no contiene humedad y está saturado porque está lleno de energía. El vapor no puede contener más energía a esa temperatura y presión.
Vapor húmedo
El vapor húmedo es menos eficiente que el vapor seco saturado porque contiene menos energía. Con vapor húmedo, el proceso recibirá menos energía y una masa menor de vapor, lo que probablemente extenderá el tiempo del proceso, no alcanzará la temperatura objetivo requerida o llevará a que el producto se eche a perder.
Vapor sobrecalentado
El vapor sobrecalentado2 tiene una temperatura más alta que el vapor saturado a la misma presión. Mientras que algunas plantas de vapor producen vapor sobrecalentado para generación de energía, el vapor sobrecalentado no se recomienda para transferencia de calor porque tiene una menor tasa de transferencia de calor. El vapor sobrecalentado también requiere un área de transferencia de calor mayor que el vapor seco saturado.
¿Por qué el vapor es más eficiente que el agua caliente de baja temperatura (LTHW) para la transferencia de calor?
El vapor seco saturado es más eficiente para la transferencia de calor3 que alternativas como el agua caliente de baja temperatura (LTHW) debido a sus propiedades únicas.
La presión controla la energía térmica dentro del vapor
Cambiar la presión le permite manipular el vapor para satisfacer las necesidades del proceso, incluyendo la cantidad de energía térmica que contiene.
Cuando calienta agua bajo presión, tiene un punto de ebullición más alto, por lo que se necesita más energía térmica. De las tablas de vapor, a 5 bar g, el agua hierve a 159°C y necesita 671 kJ/kg de energía para alcanzar el punto de ebullición. Sin embargo, convertir esa agua hirviendo en vapor requiere menos energía térmica que a presiones más bajas. A 5 bar g, necesita 2.086 kJ/kg de energía, comparado con 2.257 kJ/kg a 0 bar g.
Conociendo el impacto de la presión, puede producir vapor a alta presión en la sala de calderas y luego distribuirlo al proceso. Cuando el vapor llega al intercambiador de calor, reducir la presión aumentará la cantidad de energía útil transferida al proceso.
El vapor tiene un contenido de calor mayor que LTHW
El vapor se produce a temperaturas y presiones mucho más altas que LTHW, por lo que tiene un contenido de calor significativamente mayor y puede transferir más energía térmica al proceso. En otras palabras, se necesita menos vapor que LTHW para producir el mismo efecto de calentamiento.
Por ejemplo, compare un intercambiador de calor de vapor a agua con un intercambiador de agua a agua diseñado para transferir 11°C al proceso. Con un kilogramo de vapor, hay 50 veces más energía térmica útil que en un kilogramo de LTHW. Eso significa que necesita 50 veces menos vapor para el mismo efecto de calentamiento, porque el agua tiene una capacidad calorífica específica de 4,19 kJ/kg °C mientras que la energía térmica útil dentro del vapor es de 2.200 kJ/kg.
El vapor transfiere calor tres veces más rápido que LTHW
El vapor transfiere energía térmica más rápido que LTHW porque cede su energía térmica al condensarse. El coeficiente de transferencia de calor, que mide la velocidad de transferencia de calor, es aproximadamente tres veces mayor con un intercambiador de calor de vapor a agua que con un intercambiador de agua a agua.
Como el vapor proporciona una mayor tasa de transferencia de calor, también se requiere un área de superficie menor dentro del intercambiador de calor para transferir la misma cantidad de energía térmica. Como resultado, un intercambiador de calor de vapor a agua necesita una huella menor que un intercambiador de agua a agua equivalente.
El vapor transfiere calor uniformemente a través de un área de superficie
El vapor es un gas, por lo que se expande para llenar un espacio. Dentro de un intercambiador de calor de vapor a agua, hay una distribución uniforme de calor a través del área de superficie de transferencia de calor en comparación con un intercambiador de calor de agua a agua .
Usar vapor para la transferencia de calor minimiza los puntos fríos dentro del intercambiador de calor y proporciona una transferencia de calor más consistente.
Vapor: Una opción eficiente para la transferencia de calor
El vapor es una fuente de energía térmica atractiva para muchas industrias debido a su eficiencia. Cambiar la presión le permite ajustar la energía útil dentro del vapor. El contenido de calor y la velocidad de transferencia del vapor son significativamente mayores que LTHW. Además, el vapor necesita áreas de superficie de transferencia de calor menores que otras fuentes de energía.
