Teoría básica de desuperheating

El vapor sobrecalentado tiene ventajas importantes en ciertas aplicaciones, por ejemplo, cuando se usa en centrales eléctricas para accionar turbinas. Sin embargo, para uso eficiente en aplicaciones de calentamiento, el vapor debe ser desuperheated. Este tutorial considera la teoría básica de desuperheating y los cálculos.

El vapor sobrecalentado es vapor que está a una temperatura más alta que la temperatura de saturación para la presión del vapor. Por ejemplo, el vapor a una presión de 3 bar g tiene una temperatura de saturación de 143.762°C. Si se agregara más calor a este vapor y la presión permaneciera en 3 bar g, se volvería sobrecalentado. Este calor extra resulta en vapor que:

• Está por encima de la temperatura de saturación.
• Contiene más energía que el vapor saturado.
• Tiene un volumen específico mayor que el vapor saturado. Las relaciones entre estas tres propiedades están bien documentadas y pueden encontrarse en la mayoría de textos relacionados con las propiedades termodinámicas del vapor. El vapor sobrecalentado se usa principalmente en plantas de generación de energía como fuerza motriz para turbinas. Una revisión del ciclo Rankine demostrará que, para accionar turbinas, el vapor sobrecalentado es térmicamente más eficiente que el vapor saturado.

El sobrecalentamiento del vapor tiene ventajas adicionales importantes:

• El vapor húmedo dentro de una turbina resultaría en gotas de agua y erosión de las paletas de la turbina, así como aumento de la fricción.
• Se pueden usar velocidades de tubería más altas (hasta 100 m/s). Esto significa que se pueden usar tuberías de distribución más pequeñas (siempre que la caída de presión no sea excesiva).
• Para plantas de funcionamiento continuo, el vapor sobrecalentado significa que no hay condensación en las tuberías, por lo tanto, solo se requiere purga de vapor durante el arranque.

El uso de vapor sobrecalentado tiene varias desventajas:

Aunque el vapor sobrecalentado contiene una gran cantidad de energía térmica, esta energía está en tres formas; entalpía del agua, entalpía de evaporación (calor latente) y entalpía de sobrecalentamiento. La mayor parte de la energía está en la entalpía de evaporación, y la energía en el sobrecalentamiento representa una proporción menor. Por ejemplo, tome vapor sobrecalentado a 10 bar a y 300°C, entonces:

Entalpía del agua = 763 kJ/kg

Entalpía de evaporación = 2 015 kJ/kg

Entalpía de sobrecalentamiento = 274 kJ/kg

• El coeficiente de transferencia de calor al usar vapor sobrecalentado como medio de calentamiento es variable, bajo y difícil de cuantificar con precisión. Esto hace que el dimensionamiento y control precisos del equipo de transferencia de calor sean difíciles, y también resultará en un intercambiador de calor más grande y costoso. Una vez que el vapor sobrecalentado se enfría a la temperatura de saturación, el coeficiente de transferencia de calor aumenta dramáticamente, y la temperatura a la que el vapor se condensa de vuelta en agua es constante. Esto asiste grandemente el dimensionamiento y control precisos del equipo de transferencia de calor. La presencia de altos coeficientes de transferencia de calor asociados con el vapor saturado conduce a intercambiadores de calor más pequeños y baratos que los que utilizan vapor sobrecalentado.
• Algunos procesos (por ejemplo, columnas de destilación) rinden menos eficientemente cuando se suministran con vapor sobrecalentado.
• Las temperaturas más altas del vapor sobrecalentado pueden significar que se requiera equipo de mayor capacidad y por tanto más costoso.
• La temperatura más alta del vapor sobrecalentado puede dañar equipos sensibles. Estas desventajas significan que el vapor sobrecalentado generalmente es indeseable para aplicaciones de procesos térmicos. Sin embargo, existen sitios donde se genera vapor sobrecalentado para generación de energía, y tiene sentido económico desuperheatar parte de este vapor de algún punto en el ciclo de generación de energía, y luego usarlo para aplicaciones de proceso. (Más información sobre vapor sobrecalentado puede encontrarse en el Módulo 2.3).

También existen sitios donde grandes cantidades de desechos se usan como combustible para la caldera. Si la cantidad de desechos es suficientemente grande, entonces se puede producir vapor sobrecalentado para generación de energía.

Ejemplos de este tipo de planta pueden encontrarse en las industrias de fabricación de papel y refinación de azúcar.

En plantas que tienen vapor sobrecalentado disponible para uso de proceso, tiene sentido distribuir el vapor sobrecalentado a puntos remotos en la planta, ya que esto asegurará que el vapor permanezca seco.

Esto se vuelve significativo si hay largas longitudes de tubería separando el punto de generación y el punto de uso.

Desuperheating básico de vapor

El desuperheating es el proceso por el cual el vapor sobrecalentado se restaura a su estado saturado, o se reduce la temperatura de sobrecalentamiento. La mayoría de los desuperheaters usados para restaurar el estado saturado producen temperaturas de descarga que se aproximan a la saturación (típicamente hasta 3°C de la temperatura de saturación como mínimo). También son posibles y a menudo usados diseños para temperaturas de descarga superiores a 3°C por encima de la saturación. Existen básicamente dos tipos amplios de desuperheater:

• Tipo de contacto indirecto - El medio usado para enfriar el vapor sobrecalentado no entra en contacto directo con él. Puede emplearse un líquido o gas más frío como medio refrigerante, por ejemplo, el aire circundante. Ejemplos de este tipo de desuperheater son los intercambiadores de calor de carcasa y tubo. Aquí el vapor sobrecalentado se suministra a un lado del intercambiador de calor y un medio más frío se suministra al otro lado. A medida que el vapor sobrecalentado pasa a través del intercambiador de calor, el calor se pierde del vapor, y es ganado por el medio refrigerante. La temperatura del vapor desuperheater podría controlarse por la presión del vapor sobrecalentado de entrada o por el caudal del agua refrigerante. El control del flujo de vapor sobrecalentado para este propósito no es normalmente práctico y la mayoría de los sistemas ajustan el flujo del medio refrigerante.
• Tipo de contacto directo - El medio usado para enfriar el vapor sobrecalentado entra en contacto directo con él. En la mayoría de los casos, el medio refrigerante es el mismo fluido que el vapor a desuperheatar, pero en estado líquido. Por ejemplo, en el caso de desuperheaters de vapor, se usa agua. Una estación típica de desuperheating de contacto directo se muestra en la Figura 15.1.3. Cuando el desuperheater está operacional, se agrega una cantidad medida de agua al vapor sobrecalentado a través de un arreglo de mezcla dentro del desuperheater. Al entrar en el desuperheater, el agua refrigerante se evapora absorbiendo calor del vapor sobrecalentado. Consecuentemente, la temperatura del vapor se reduce.

El control de la cantidad de agua a agregar generalmente se logra midiendo la temperatura del vapor aguas abajo del desuperheater. La temperatura ajustada del vapor desuperheater sería típicamente 3°C por encima de la de saturación. Por lo tanto, en tales arreglos la presión de entrada del vapor sobrecalentado debe mantenerse constante.

Cálculos de desuperheating

La cantidad de agua agregada debe ser suficiente para enfriar el vapor a la temperatura deseada; demasiada poca agua y el vapor no se habrá enfriado lo suficiente, demasiada y se producirá vapor saturado húmedo que requerirá secado a través de un separador.

Usando la Ecuación 15.1.1, que está basada en la conservación de energía, el requisito de líquido refrigerante puede determinarse fácil y rápidamente: Ejemplo 15.1.1 Determine el caudal de agua refrigerante requerido para las condiciones en la siguiente Tabla:

Solución:

La información necesaria puede obtenerse o interpolarse de las tablas de vapor en copia impresa; los extractos relevantes se muestran en la Tabla 15.1.1 y la Tabla 15.1.2. Alternativamente, se pueden usar las tablas de vapor en línea de Spirax Sarco. La información requerida para satisfacer la Ecuación 15.1.1 es por lo tanto:

m_dot - body text.jpgs = Caudal másico de vapor sobrecalentado = 10 000 kg/h

hs = Entalpía en condición de sobrecalentamiento (De tablas de vapor 300°C a 10 bar a) = 3 052 kJ/kg

hcw = Entalpía del líquido refrigerante = 4.2 kJ/kg°C x 150°C = 630 kJ/kg

Determinando la entalpía en la condición de desuperheating, hd:

De las tablas de vapor, la temperatura de saturación (Ts) a 10 bar a es 180°C, por lo tanto en la condición de desuperheating requerida, la temperatura será:

Ts + 5°C = 185°C

Interpolando entre la entalpía del vapor a 10 bar a y su temperatura de saturación, y a 10 bar a y 200°C:

Entalpía a 10 bar a, Ts (tablas de vapor saturado) = 2 778 kJ/kg

Entalpía a 10 bar a, 200°C (tablas de vapor sobrecalentado) = 2 829 kJ/kg

Interpolando para la entalpía a 10 bar a y 185°C: Finalmente, aplicando la Ecuación 15.1.1: Note que el vapor desuperheater se suministra a un caudal de: 10 000 + 1 208 kg/h = 11 208 kg/h

suministrado a un caudal de:

10 000 + 1 208 Si el requisito hubiera sido de 10 000 kg/h de vapor desuperheater, el caudal inicial de vapor sobrecalentado puede determinarse usando un método proporcional simple:

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