Calidad del Vapor

El vapor debe estar disponible en el punto de uso en la cantidad correcta, a la presión correcta, limpio, seco y libre de aire y otros gases no condensables. Este tutorial explica por qué esto es necesario, y cómo se asegura la calidad del vapor.

Cantidad correcta de vapor

Se debe disponer de la cantidad correcta de vapor para cualquier proceso de calentamiento para asegurar que se proporcione un flujo de calor suficiente para la transferencia de calor. De manera similar, también debe suministrarse el caudal correcto para que no haya deterioro del producto ni caída en la tasa de producción. Las cargas de vapor deben calcularse correctamente y las tuberías deben dimensionarse correctamente para lograr los caudales requeridos.

Presión y temperatura correctas del vapor

El vapor debe alcanzar el punto de uso a la presión requerida y proporcionar la temperatura deseada para cada aplicación, o el rendimiento se verá afectado. El dimensionamiento correcto de la tubería y los accesorios de la línea asegurará que esto se logre. Sin embargo, incluso si el manómetro muestra correctamente la presión deseada, la temperatura de saturación correspondiente puede no estar disponible si el vapor contiene aire y/o gases no condensables.

Aire y otros gases no condensables

El aire está presente dentro de las tuberías de suministro de vapor y el equipo al arranque. Incluso si el sistema hubiera sido llenado con vapor puro la última vez que se usó, el vapor se condensaría al apagarse, y el aire sería aspirado por el vacío resultante. Cuando el vapor entra al sistema, forzará el aire hacia el punto de drenaje, o hacia el punto más alejado de la entrada de vapor, conocido como el punto remoto. Por lo tanto, deben instalarse trampas de vapor con suficiente capacidad de ventilación de aire en estos puntos de drenaje, y deben instalarse ventilas de aire automáticas en todos los puntos remotos. Sin embargo, si hay alguna turbulencia, el vapor y el aire se mezclarán y el aire será arrastrado a la superficie de transferencia de calor. A medida que el vapor se condensa, una capa aislante de aire queda atrás en la superficie, actuando como barrera a la transferencia de calor.

Mezclas de vapor y aire

En una mezcla de aire y vapor, la presencia de aire causará que la temperatura sea más baja de lo esperado. La presión total de una mezcla de gases se compone de la suma de las presiones parciales de los componentes en la mezcla. Esto se conoce como la Ley de Presiones Parciales de Dalton. La presión parcial es la presión ejercida por cada componente si ocupara el mismo volumen que la mezcla:

Nota: Esta es una relación termodinámica, por lo que todas las presiones deben expresarse en bar a.

Ejemplo 2.4.1

Considere una mezcla de vapor/aire compuesta por ¾ de vapor y ¼ de aire en volumen. La presión total es 4 bar a.

Por lo tanto el vapor solo tiene una presión efectiva de 3 bar a en comparación con su presión aparente de 4 bar a. La mezcla solo tendría una temperatura de 134 °C en lugar de la temperatura de saturación esperada de 144 °C.

Este fenómeno no solo es importante en aplicaciones de intercambio de calor (donde la tasa de transferencia de calor aumenta con un aumento en la diferencia de temperatura), sino también en aplicaciones de proceso donde se puede requerir una temperatura mínima para lograr un cambio químico o físico en un producto. Por ejemplo, una temperatura mínima es esencial en un esterilizador para matar bacterias.

Otras fuentes de aire en el circuito de vapor y condensado

El aire también puede entrar al sistema en solución con el agua de alimentación de la caldera. El agua de reposición y el condensado, expuestos a la atmósfera, absorberán fácilmente nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono: los principales componentes del aire atmosférico. Cuando el agua se calienta en la caldera, estos gases se liberan con el vapor y se transportan al sistema de distribución. El aire atmosférico consiste en 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno y 0.03% de dióxido de carbono, por análisis volumétrico. Sin embargo, la solubilidad del oxígeno es aproximadamente el doble que la del nitrógeno, mientras que el dióxido de carbono tiene una solubilidad aproximadamente 30 veces mayor que el oxígeno. Esto significa que el ‘aire’ disuelto en el agua de alimentación de la caldera contendrá proporciones mucho mayores de dióxido de carbono y oxígeno: ambos causan corrosión en la caldera y la tubería. La temperatura del tanque de alimentación se mantiene a una temperatura típicamente no menor a 80 °C para que el oxígeno y el dióxido de carbono puedan liberarse a la atmósfera, ya que la solubilidad de estos gases disueltos disminuye con el aumento de la temperatura.

La concentración de dióxido de carbono disuelto también se mantiene al mínimo desmineralizando y desgasificando el agua de reposición en la etapa externa de tratamiento de agua. La concentración de gas disuelto en el agua puede determinarse usando la Ley de Henry. Esta establece que la masa de gas que puede ser disuelta por un volumen dado de líquido es directamente proporcional a la presión parcial del gas. Esto solo es verdad sin embargo si la temperatura es constante, y no hay reacción química entre el líquido y el gas.

Limpieza del vapor

Las capas de incrustación encontradas en las paredes de las tuberías pueden deberse a la formación de herrumbre en sistemas de vapor antiguos, o a un depósito de carbonato en áreas de agua dura. Otros tipos de suciedad que pueden encontrarse en una línea de suministro de vapor incluyen escoria de soldadura y material de sellado aplicado incorrectamente o en exceso, que puede haber quedado en el sistema cuando la tubería fue inicialmente instalada. Estos fragmentos tendrán el efecto de aumentar la tasa de erosión en las curvas de tubería y los pequeños orificios de las trampas de vapor y válvulas. Por esta razón, es una buena práctica de ingeniería instalar un filtro de línea (como se muestra en la Figura 2.4.2). Este debe instalarse aguas arriba de cada trampa de vapor, medidor de flujo, válvula reductora de presión y válvula de control.

El vapor fluye desde la entrada A a través de la pantalla perforada B hasta la salida C. Mientras que el vapor y el agua pasarán fácilmente a través de la pantalla, la suciedad será detenida. La tapa D puede removerse, permitiendo que la pantalla se retire y limpie a intervalos regulares.

Cuando se instalan filtros en líneas de vapor, deben instalarse de lado para que se pueda evitar la acumulación de condensado y el problema del golpe de ariete. Esta orientación también expondrá el máximo área de pantalla del filtro al flujo. Una capa de incrustación también puede estar presente en la superficie de transferencia de calor, actuando como una barrera adicional a la transferencia de calor. Las capas de incrustación a menudo son resultado de:

• Operación incorrecta de la caldera, causando que impurezas se arrastren desde la caldera en gotas de agua.
• Tratamiento de agua incorrecto en la casa de calderas. La tasa a la que esta capa se acumula puede reducirse mediante atención cuidadosa a la operación de la caldera y por la eliminación de cualquier gota de humedad.

Sequedad del vapor

El tratamiento químico incorrecto del agua de alimentación y los períodos de carga pico pueden causar cebado y arrastre del agua de alimentación de la caldera a las líneas principales de vapor, llevando a que se depositen materiales químicos y otros en las superficies de transferencia de calor. Estos depósitos se acumularán con el tiempo, reduciendo gradualmente la eficiencia de la planta. Además de esto, a medida que el vapor sale de la caldera, parte de él debe condensarse debido a la pérdida de calor a través de las paredes de las tuberías. Aunque estas tuberías pueden estar bien aisladas, este proceso no puede eliminarse por completo. El resultado general es que el vapor que llega a la planta es relativamente húmedo, y las gotas de humedad arrastradas con el vapor pueden erosionar tuberías, accesorios y válvulas especialmente si las velocidades son altas. Ya se ha demostrado que la presencia de gotas de agua en el vapor reduce la entalpía real de evaporación, y también conduce a la formación de incrustaciones en las paredes de las tuberías y la superficie de transferencia de calor. Las gotas de agua arrastradas dentro del vapor también pueden añadir a la película resistente de agua producida a medida que el vapor se condensa, creando otra barrera más al proceso de transferencia de calor. Un separador en la línea de vapor eliminará las gotas de humedad arrastradas en el flujo de vapor, y también cualquier condensado que haya gravitado hacia el fondo de la tubería. En el separador mostrado en la Figura 2.4.3, el vapor se fuerza a cambiar de dirección varias veces a medida que fluye a través del cuerpo. Los deflectores crean un obstáculo para las gotas de agua más pesadas, mientras que el vapor seco más ligero tiene permitido fluir libremente a través del separador. Las gotas de humedad se deslizan por los deflectores y drenan a través de la conexión inferior del separador hacia una trampa de vapor. Esto permitirá que el condensado drene del sistema, pero no permitirá el paso de ningún vapor.

Golpe de ariete

A medida que el vapor comienza a condensarse debido a las pérdidas de calor en la tubería, el condensado forma gotas en el interior de las paredes. A medida que son arrastradas en el flujo de vapor, se fusionan en una película. El condentado luego gravita hacia el fondo de la tubería, donde la película comienza a aumentar en grosor. La acumulación de gotas de condensado a lo largo de una longitud de tubería de vapor puede eventualmente formar un tapón de agua (como se muestra en la Figura 2.4.4), que será transportado a velocidad de vapor a lo largo de la tubería (25 - 30 m/s).

Este tapón de agua es denso e incompresible, y cuando viaja a alta velocidad, tiene una cantidad considerable de energía cinética.

Las leyes de la termodinámica establecen que la energía no puede crearse ni destruirse, sino simplemente convertirse en una forma diferente. Cuando es obstruido, quizás por una curva o un tee en la tubería, la energía cinética del agua se convierte en energía de presión y se aplica un choque de presión a la obstrucción. El condensado también se acumulará en puntos bajos, y los tapones de condensado pueden ser recogidos por el flujo de vapor y lanzados aguas abajo hacia válvulas y accesorios de tubería.

Estos puntos bajos podrían incluir una línea principal hundida, que puede deberse a un soporte de tubería inadecuado o un soporte de tubería roto. Otras posibles fuentes de golpe de ariete incluyen el uso incorrecto de reductores concéntricos y filtros, o un drenaje inadecuado antes de un ascenso en la línea principal de vapor. Algunos de estos se muestran en la Figura 2.4.5. El ruido y la vibración causados por el impacto entre el tapón de agua y la obstrucción, se conoce como golpe de ariete. El golpe de ariete puede reducir significativamente la vida de los accesorios de la línea. En casos severos, el accesorio puede fracturarse con un efecto casi explosivo. La consecuencia puede ser la pérdida de vapor vivo en la fractura, creando una situación peligrosa. La instalación de tuberías de vapor se discute en detalle en el Bloque 10, Distribución de Vapor.