Vapor Recalentado

Una explicación de las propiedades y usos del vapor recalentado (como para la generación de electricidad). Incluyendo explicaciones de los ciclos termodinámicos de Rankine y Carnot, tablas de vapor recalentado y el diagrama de Mollier (H-S).

Si el vapor saturado producido en una caldera se expone a una superficie con una temperatura más alta, su temperatura aumentará por encima de la temperatura de evaporación.

El vapor se describe entonces como recalentado por el número de grados de temperatura a través de los cuales se ha calentado por encima de la temperatura de saturación.

El recalentamiento no puede impartirse al vapor mientras aún está en presencia de agua, ya que cualquier calor adicional simplemente evapora más agua. El vapor saturado debe pasar a través de un intercambiador de calor adicional. Este puede ser una segunda etapa de intercambio de calor en la caldera, o una unidad de recalentador separada. El medio de calentamiento primario puede ser el gas de escape caliente de la caldera, o puede ser calentado por separado.

El vapor recalentado tiene sus aplicaciones en, por ejemplo, turbinas donde el vapor es dirigido por toberas hacia un rotor. Esto hace que el rotor gire. La energía para que esto ocurra solo puede haber venido del vapor, por lo que lógicamente el vapor tiene menos energía después de haber pasado por el rotor de la turbina. Si el vapor estuviera a temperatura de saturación, esta pérdida de energía causaría que parte del vapor se condensara.

Las turbinas tienen varias etapas; el vapor de escape del primer rotor será dirigido a un segundo rotor en el mismo eje. Esto significa que el vapor saturado se volvería cada vez más húmedo a medida que pasara por las etapas sucesivas. No solo esto promovería el golpe de ariete, sino que las partículas de agua causarían una erosión severa dentro de la turbina. La solución es suministrar a la turbina con vapor recalentado en la entrada, y usar la energía en la porción recalentada para impulsar el rotor hasta que las condiciones de temperatura/presión estén cerca de la saturación; y luego expulsar el vapor. Otra razón muy importante para usar vapor recalentado en turbinas es mejorar la eficiencia térmica. La eficiencia termodinámica de un motor térmico como una turbina, puede determinarse usando una de dos teorías: (Nota: Los valores usados para la temperatura y el contenido de energía en los siguientes ejemplos son de tablas de vapor)

Ejemplo 2.3.1

Una turbina se suministra con vapor recalentado a 90 bar a @ 450 °C.

El escape está a 0.06 bar a (vacío parcial) y 10% húmedo.

Temperatura de saturación = 36.2 °C. 2.3.1.1 Determine la eficiencia Carnot (ηC)

2.3.1.2 Determine la eficiencia Rankine (ηR) Para el Ciclo Rankine teórico, Figura 2.3.2, se asume que no hay pérdidas por fricción en la turbina, ocurre una expansión perfecta del vapor en la turbina (isentrópica), e ignora la energía añadida por la bomba de alimentación que retorna el condensado a la caldera.

Usando el Ejemplo 2.3.1 donde:

• Una turbina se suministra con vapor recalentado a 90 bar a @ 450 °C.
• El escape está a 0.06 bar a (vacío parcial) y 10% húmedo.
• Temperatura de saturación = 36.2 °C. Estos datos pueden trazarse en la curva de temperatura/entalpía como se ilustra en la Figura 2.3.3:

Examen de las cifras para cualquiera de los ciclos indica que para lograr alta eficiencia:

• La temperatura o energía en la entrada de la turbina debe ser tan alta como sea posible. Esto significa tan alta presión y temperatura como sea prácticamente posible. El vapor recalentado es la forma más simple de proporcionar esto.
• La temperatura o energía en el escape debe ser tan baja como sea posible. Esto significa tan baja presión y temperatura como sea prácticamente posible, y generalmente se logra con un condensador en el escape de la turbina. Notas:
• Las cifras calculadas en los Ejemplos 2.3.1.1 y 2.3.1.2 son para eficiencia termodinámica, y no deben confundirse con la eficiencia mecánica.
• Aunque las cifras de eficiencia parecen ser muy bajas, no deben verse de forma aislada, sino usarse para comparar un tipo de motor térmico con otro. Por ejemplo, turbinas de gas, máquinas de vapor y motores diésel.

Las tablas de vapor recalentado muestran las propiedades del vapor a varias presiones de manera muy similar a las tablas de vapor saturado. Sin embargo, con el vapor recalentado no hay una relación directa entre la temperatura y la presión. Por lo tanto, a una presión particular puede ser posible que exista vapor recalentado en un amplio rango de temperaturas.

En general, las tablas de vapor saturado dan presión manométrica, las tablas de vapor recalentado dan presión absoluta.

Presión absoluta bar a

Unidades Temperatura (°C)

1.013

150 200 250 300 400 500

vg (m3/kg) 1.912 2.145 2.375 2.604 3.062 3.519

ug (kJ/kg) 2 583 2 659 2 734 2 811 2 968 3 131

hg (kJ/kg) 2 777 2 876 2 975 3 075 3 278 3 488

sg (kJ/kg K) 7.608 7.828 8.027 8.209 8.537 8.828

Ejemplo 2.3.2

¿Cuánto más calor tiene el vapor recalentado con una temperatura de 400 °C y una presión de 1.013 bar a (0 bar g) que el vapor saturado a la misma presión?

Esto puede sonar como un aumento útil de energía, pero en realidad hará la vida más difícil para el ingeniero que quiere usar vapor para fines de calentamiento.

De la energía en el recalentamiento mostrada, la capacidad calorífica específica puede determinarse dividiendo este valor por la diferencia de temperatura entre la temperatura de saturación (100 °C) y la temperatura del vapor recalentado (400 °C):

Sin embargo, a diferencia de la capacidad calorífica específica del agua, la capacidad calorífica específica del vapor recalentado varía considerablemente con la presión y la temperatura y no puede tomarse como constante.

El valor de 2.0 kJ/kg °C dado anteriormente es por lo tanto solo la capacidad calorífica específica media sobre el rango de temperatura especificado para esa presión. No hay una relación directa entre la temperatura, la presión y la capacidad calorífica específica del vapor recalentado. Sin embargo, hay una tendencia general hacia un aumento en la capacidad calorífica específica con el aumento de la presión a bajos grados de recalentamiento, pero esto no siempre es así.

¿Se puede usar vapor recalentado en intercambiadores de calor de proceso y otros procesos de calentamiento? Aunque no es el medio ideal para transferir calor, el vapor recalentado a veces se usa para calentamiento de proceso en muchas plantas de vapor alrededor del mundo, especialmente en los HPIs (Industrias de Procesamiento de Hidrocarburos) que producen aceites y petroquímicos. Esto es más probable porque el vapor recalentado ya está disponible en el sitio para generación de energía, siendo la fuente de energía preferida para turbinas, más que porque tenga alguna ventaja sobre el vapor saturado para fines de calentamiento. Para ser claros en este punto, en la mayoría de los casos, debe usarse vapor saturado para procesos de transferencia de calor, incluso si significa desrecalentar el vapor para hacerlo. Los HPIs a menudo desrecalientan el vapor a unos diez grados de recalentamiento. Este pequeño grado de recalentamiento se retira fácilmente en la primera parte de la superficie de calentamiento. Cantidades mayores de recalentamiento son más difíciles, y a menudo no económicas de manejar y (para fines de calentamiento) es mejor evitarlas. Hay bastantes razones por las que el vapor recalentado no es tan adecuado para calentamiento de proceso como el vapor saturado: El vapor recalentado tiene que enfriarse hasta la temperatura de saturación antes de poder condensarse para liberar su calor latente (entalpía de evaporación). La cantidad de calor cedida por el vapor recalentado a medida que se enfría a la temperatura de saturación es relativamente pequeña en comparación con su entalpía de evaporación. Si el vapor solo tiene unos pocos grados de recalentamiento, esta pequeña cantidad de calor se cede rápidamente antes de condensarse. Sin embargo, si el vapor tiene un gran grado de recalentamiento, puede tomar un tiempo relativamente largo para enfriarse, durante el cual el vapor está liberando muy poca energía. A diferencia del vapor saturado, la temperatura del vapor recalentado no es uniforme. El vapor recalentado tiene que enfriarse para ceder calor, mientras que el vapor saturado cambia de fase. Esto significa que pueden ocurrir gradientes de temperatura sobre la superficie de transferencia de calor con el vapor recalentado. En un intercambiador de calor, el uso de vapor recalentado puede conducir a la formación de una zona de ebullición de pared seca, cerca de la placa tubular. Esta área de pared seca puede rápidamente incrustarse o ensuciarse, y la temperatura alta resultante de la pared del tubo puede causar la falla del tubo. Esto claramente muestra que en aplicaciones de transferencia de calor, el vapor con un gran grado de recalentamiento es de poca utilidad porque:

• Cede poco calor hasta que se ha enfriado a la temperatura de saturación.
• Crea gradientes de temperatura sobre la superficie de transferencia de calor a medida que se enfría a la temperatura de saturación.
• Proporciona tasas de transferencia de calor más bajas mientras el vapor está recalentado.
• Requiere áreas de transferencia de calor más grandes. Entonces, el vapor recalentado no es tan efectivo como el vapor saturado para aplicaciones de transferencia de calor. Esto puede parecer extraño, considerando que la tasa de transferencia de calor a través de una superficie de calentamiento es directamente proporcional a la diferencia de temperatura a través de ella. Si el vapor recalentado tiene una temperatura más alta que el vapor saturado a la misma presión, ¿ciertamente el vapor recalentado debería poder impartir más calor? La respuesta a esto es ‘no’. Esto se examinará ahora con más detalle. Es verdad que la diferencia de temperatura tendrá un efecto en la tasa de transferencia de calor a través de la superficie de transferencia de calor, como claramente se muestra en la Ecuación 2.5.3.

La Ecuación 2.5.3 también muestra que la transferencia de calor dependerá del coeficiente de transferencia de calor global ‘U’, y el área de transferencia de calor ‘A’.

Para cualquier aplicación individual, el área de transferencia de calor podría estar fija. Sin embargo, lo mismo no puede decirse del valor ‘U’; y esta es la diferencia principal entre el vapor saturado y el recalentado. El valor ‘U’ global para el vapor recalentado variará a lo largo del proceso, pero siempre será mucho menor que el del vapor saturado. Es difícil predecir los valores ‘U’ para el vapor recalentado, ya que dependerán de muchos factores, pero generalmente, cuanto mayor sea el grado de recalentamiento, menor será el valor ‘U’. Típicamente, para un serpentín de vapor horizontal rodeado de agua, los valores ‘U’ pueden ser tan bajos como 50 a 100 W/m² °C para vapor recalentado pero 1 200 W/m² °C para vapor saturado, como se representa en la Figura 2.3.4. Para aplicaciones de vapor a aceite, los valores ‘U’ pueden ser considerablemente menores, quizás tan bajos como 20 W/m² °C para vapor recalentado y 150 W/m² °C para vapor saturado. En un intercambiador de calor de carcasa y tubos, pueden esperarse 100 W/m² °C para vapor recalentado y 500 W/m² °C para vapor saturado. Estas cifras son típicas; las cifras reales variarán debido a otras consideraciones de diseño y operación. Aunque la temperatura del vapor recalentado siempre es más alta que la del vapor saturado a la misma presión, su capacidad para transferir calor es por lo tanto mucho menor. El efecto general es que el vapor recalentado es mucho menos efectivo para transferir calor que el vapor saturado a la misma presión. La siguiente Sección ‘Ensuciamiento’ da más detalles.

No solo el vapor recalentado es menos efectivo para transferir calor, sino que es muy difícil de cuantificar usando la Ecuación 2.5.3, Q̇ = U A ΔT, ya que la temperatura del vapor caerá a medida que ceda su calor mientras pasa a lo largo de la superficie de calentamiento.

Predecir el tamaño de las superficies de transferencia de calor que utilizan vapor recalentado es difícil y complejo. En la práctica, los datos básicos necesarios para realizar tales cálculos son desconocidos u obtenidos empíricamente, poniendo su fiabilidad y precisión en duda. Claramente, como el vapor recalentado es menos efectivo para transferir calor que el vapor saturado, entonces cualquier área de calentamiento que use vapor recalentado tendría que ser más grande que un serpentín de vapor saturado operando a la misma presión para entregar la misma tasa de flujo de calor. Si no hay más remedio que usar vapor recalentado, no es posible mantener el vapor en su estado recalentado a lo largo del serpentín de calentamiento o el intercambiador de calor, ya que a medida que cede parte de su contenido de calor al fluido secundario, se enfría hacia la temperatura de saturación. La cantidad de calor por encima de la saturación es bastante pequeña comparada con la gran cantidad disponible cuando ocurre la condensación. El vapor debería alcanzar la saturación relativamente pronto en el proceso; esto permite que el vapor se condense para producir tasas de transferencia de calor más altas y resultar en un valor ‘U’ global más alto para todo el serpentín, consulte la Figura 2.3.5. Para ayudar a lograr esto, el vapor recalentado usado para fines de transferencia de calor no debe contener más de aproximadamente 10 °C de recalentamiento.

Si es así, es relativamente fácil y práctico diseñar un intercambiador de calor o un serpentín con un área de superficie de calentamiento basada en vapor saturado a la misma presión, añadiendo cierta cantidad de área de superficie para permitir el recalentamiento. Usando esta guía, la primera parte de un serpentín se usará puramente para reducir la temperatura del vapor recalentado a su punto de saturación. El resto del serpentín entonces podrá aprovechar la mayor capacidad de transferencia de calor del vapor saturado. El efecto es que el valor ‘U’ global puede no ser mucho menor que si se suministrara vapor saturado al serpentín.

De la experiencia práctica, si el área de calentamiento extra necesaria para el vapor recalentado es del 1% por cada 2 °C de recalentamiento, el serpentín (o intercambiador de calor) será lo suficientemente grande. Esto parece funcionar hasta 10 °C de recalentamiento. No se recomienda usar vapor recalentado por encima de 10 °C de recalentamiento para fines de calentamiento debido al probable tamaño desproporcionado y no económico de la superficie de calentamiento, la propensión al ensuciamiento por suciedad, y la posibilidad de deterioro del producto por las altas temperaturas de recalentamiento desiguales.

Ensuciamiento

El ensuciamiento es causado por depósitos que se acumulan en la superficie de transferencia de calor añadiendo una resistencia al flujo de calor. Muchos líquidos de proceso pueden depositar lodo o incrustaciones en las superficies de calentamiento, y lo harán a una tasa más rápida a temperaturas más altas. Además, el vapor recalentado es un gas seco. El calor que fluye del vapor a la pared metálica debe pasar a través de las películas estáticas adheridas a la pared, que resisten el flujo de calor. Por el contrario, la condensación del vapor saturado causa el movimiento del vapor hacia la pared, y la liberación de grandes cantidades de calor latente justo en la superficie de condensación. La combinación de estos factores significa que las tasas globales de transferencia de calor son mucho menores donde está presente el vapor recalentado, aunque la diferencia de temperatura entre el vapor y el fluido secundario sea mayor.

Ejemplo 2.3.3 Dimensionamiento de un haz de tubos para vapor recalentado

Vapor recalentado a 3 bar g con 10 °C de recalentamiento (154 °C) se usará como fuente primaria de calor para un intercambiador de calor de proceso de carcasa y tubos con una carga térmica de 250 kW, calentando un fluido base de aceite desde 80 °C hasta 120 °C (haciendo que la temperatura secundaria media aritmética (ΔTAM) sea 100 °C). Estime el área de serpentín primario de vapor requerido. (Las diferencias de temperatura media aritméticas se usan para mantener este cálculo simple; en la práctica, se usarían temperaturas medias logarítmicas para mayor precisión. Consulte el Módulo 2.5 ‘Transferencia de Calor’ para detalles sobre diferencias de temperatura media aritméticas y logarítmicas). Primero, considere el serpentín si se calentara con vapor saturado a 3 bar g (144 °C). El valor ‘U’ para vapor saturado calentando aceite a través de un nuevo serpentín de acero al carbono se toma como 500 W/m2 °C.

Otras aplicaciones que usan vapor recalentado

Todo lo anterior aplica cuando el vapor fluye a través de un pasaje relativamente estrecho, como los tubos en un intercambiador de calor de carcasa y tubos o las placas en un intercambiador de calor de placas. En algunas aplicaciones, quizás un cilindro de secado en una máquina de papel, el vapor recalentado se admite en un volumen mayor, cuando su velocidad cae a valores muy pequeños. Aquí, el vapor cerca de la pared del cilindro rápidamente cae en temperatura a cerca de la saturación y comienza la condensación. El flujo de calor a través de la pared es entonces el mismo que si el cilindro se suministrara con vapor saturado. El recalentamiento está presente solo dentro del ‘núcleo’ en el espacio de vapor y no tiene un efecto discernible en las tasas de transferencia de calor. Hay casos donde la presencia de recalentamiento puede realmente reducir el rendimiento de un proceso, donde el vapor se está usando como material de proceso. Un proceso tal podría implicar que la humedad se imparta al producto del vapor a medida que se condensa, como, el acondicionamiento de alimento para animales (harina) antes de la peletización. Aquí la humedad proporcionada por el vapor es una parte esencial del proceso; el vapor recalentado secaría excesivamente la harina y haría difícil la peletización.

Los efectos de reducir la presión del vapor

Además del uso de un intercambiador de calor adicional (generalmente llamado ‘recalentador’), el recalentamiento también puede impartirse al vapor permitiendo que se expanda a una presión más baja a medida que pasa a través del orificio de una válvula reductora de presión. Esto se denomina un proceso de estrangulación con el vapor de presión más baja teniendo la misma entalpía (aparte de una pequeña cantidad perdida por fricción al pasar a través de la válvula) que el vapor de alta presión aguas arriba. Sin embargo, la temperatura del vapor estrangulado siempre será menor que la del vapor de suministro. El estado del vapor estrangulado dependerá de:

• La presión del vapor de suministro.
• El estado del vapor de suministro.
• La caída de presión a través del orificio de la válvula. Para vapor de suministro por debajo de 30 bar g en estado saturado seco, cualquier caída de presión producirá vapor recalentado después de la estrangulación. El grado de recalentamiento dependerá de la cantidad de reducción de presión. Para vapor de suministro por encima de 30 bar g en estado saturado seco, el vapor estrangulado podría ser recalentado, saturado seco, o incluso húmedo, dependiendo de la cantidad de caída de presión. Por ejemplo, el vapor saturado seco a 60 bar g tendría que reducirse a aproximadamente 10.5 bar g para producir vapor saturado seco. Menos caída de presión produciría vapor húmedo, mientras que una mayor caída de presión produciría vapor recalentado. Igualmente, el estado del vapor de suministro a cualquier presión influirá en el estado del vapor estrangulado. Por ejemplo, vapor húmedo a una presión de 10 bar g y 0.95 de fracción de sequedad necesitaría reducirse a 0.135 bar g para producir vapor saturado seco. Menos caída de presión produciría vapor húmedo mientras que una mayor caída de presión recalentaría el vapor estrangulado.

Ejemplo 2.3.4 Aumento de la sequedad del vapor húmedo con una válvula de control

Vapor con una fracción de sequedad (χ) de 0.95 se reduce de 6 bar g a 1 bar g, usando una válvula reductora de presión. Determine las condiciones del vapor después de la válvula reductora de presión.

Como la entalpía real del vapor a 1 bar g es menor que la entalpía del vapor saturado seco a 1 bar g, entonces el vapor no está recalentado y aún retiene una proporción de humedad en su contenido.

Dado que la entalpía total después de la válvula reductora de presión es menor que la entalpía total del vapor a 1 bar g, el vapor aún está húmedo.

Ejemplo 2.3.5 Recalentamiento creado por una válvula de control

Vapor con una fracción de sequedad de 0.98 se reduce de 10 bar g a 1 bar g usando una válvula reductora de presión (como se muestra en la Figura 2.3.6).

Determine el grado de recalentamiento después de la válvula.

Como en el ejemplo anterior (2.3.4), la entalpía específica del vapor saturado seco (hg) a 1 bar g es 2 706.7 kJ/kg. La entalpía total real del vapor es mayor que la entalpía total (hg) del vapor saturado seco a 1 bar g. El vapor por lo tanto no solo está 100% seco, sino que también tiene cierto grado de recalentamiento. La energía excedente = 2 741.7 - 2 706.7 = 35 kJ/kg, y esta se usa para elevar la temperatura del vapor desde la temperatura de saturación de 120 °C a 136 °C.

El grado de recalentamiento puede determinarse ya sea usando tablas de vapor recalentado, o usando una carta de Mollier.

La carta de Mollier es un gráfico de la entalpía específica del vapor contra su entropía específica (sg).

La Figura 2.3.7 muestra una versión simplificada, a escala reducida de la carta de Mollier. La carta de Mollier muestra muchas relaciones diferentes entre entalpía, entropía, temperatura, presión y fracción de sequedad. Puede parecer bastante complicada, debido al número de líneas:

Líneas de entalpía constante (horizontales). Líneas de entropía constante (verticales). La curva de saturación del vapor a través del centro del gráfico lo divide en una región de vapor recalentado, y una región de vapor húmedo. En cualquier punto por encima de la curva de saturación el vapor está recalentado, y en cualquier punto por debajo de la curva de saturación el vapor está húmedo. La curva de saturación misma representa la condición de vapor saturado seco a varias presiones. Líneas de presión constante en ambas regiones. Líneas de temperatura constante en la región de recalentamiento. Líneas de fracción de sequedad constante (χ) en la región húmeda. Una expansión perfecta, por ejemplo dentro de una turbina de vapor o una máquina de vapor, es un proceso de entropía constante, y puede representarse en el gráfico moviéndose verticalmente hacia abajo desde un punto representando la condición inicial hasta un punto representando la condición final. Un proceso de estrangulación perfecto, por ejemplo a través de una válvula reductora de presión, es un proceso de entalpía constante. Puede representarse en el gráfico moviéndose horizontalmente de izquierda a derecha, desde un punto representando la condición inicial hasta un punto representando la condición final. Ambos procesos involucran una reducción en la presión, pero la diferencia radica en la manera en que esto se logra. Los dos ejemplos mostrados en la Figura 2.3.8 ilustran la ventaja de usar el gráfico para analizar procesos de vapor; proporcionan una representación pictórica de tales procesos. Sin embargo, los procesos de vapor también pueden representarse numéricamente por los valores proporcionados en las tablas de vapor recalentado.

Ejemplo 2.3.6 Expansión isentrópica perfecta resultando en trabajo

Considere la expansión perfecta del vapor a través de una turbina. Inicialmente la presión es 50 bar a, la temperatura es 300 °C, y la presión final es 0.04 bar a.

Como el proceso es una expansión perfecta, la entropía permanece constante. La condición final puede entonces encontrarse descendiendo verticalmente desde la condición inicial hasta la línea de presión constante de 0.04 bar a (consulte la Figura 2.3.9). En la condición inicial, la entropía es aproximadamente 6.25 kJ/kg °C. Si esta línea se sigue verticalmente hacia abajo hasta que se alcance 0.04 bar a, la condición final del vapor puede evaluarse. En este punto la entalpía específica es 1 890 kJ/kg, y la fracción de sequedad es 0.72 (consulte la Figura 2.3.9). La condición final también puede determinarse usando las tablas de vapor recalentado. En la condición inicial (50 bar a/300 °C): hg = 2 927 kJ/kg y sg = 6.212 kJ/kg °C Para vapor saturado seco a 0.04 bar a: sf = 0.422 kJ/kg °C sfg = 8.051 kJ/kg °C y sg = 8.473 kJ/kg °C

Dado que la entropía del vapor saturado seco a 0.04 bar a (8.473 kJ/kg °C) es mayor que la entropía del vapor recalentado a 50 bar a/300 °C (6.212 kJ/kg °C), se deduce que parte del vapor saturado seco debe haberse condensado para mantener la entropía constante.

Como la entropía permanece constante, en la condición final:

Estas respuestas corresponden estrechamente con los resultados obtenidos usando la carta de Mollier. La pequeña diferencia en valor entre los dos conjuntos de resultados es de esperarse, considerando las imprecisiones involucradas en la lectura de una carta como esta.