16 septiembre 2020
En esta entrada del blog vamos a hablar sobre el vapor húmedo, sus ventajas frente a otros tipos de vapor, sus particularidades y uso en la industria.
El vapor saturado es comúnmente utilizado en procesos de calentamiento y sus ventajas son obvias: el contenido en calor es alto y la temperatura puede regularse controlando la presión. Todo ello permite un control de la energía que se transfiere en los intercambiadores de calor.
¿Qué es el vapor húmedo?
Cuando el vapor saturado entrega su energía al proceso, libera su calor latente. Esta energía por unidad de masa, puede encontrarse en las tablas de vapor como entalpía. Mientras esta energía es liberada el vapor se humedece, cambiando su calidad.
Cuando se habla de calidad de vapor, simplemente se está indicando qué porcentaje de vapor y agua tenemos en el vapor. En el siguiente esquema, se puede apreciar distintos estadios de la calidad de vapor.
Fig. 1: La calidad del vapor se define como x.
Si x = 0, sólo hay agua y nada de vapor. Si x = 1, sólo hay vapor saturado. Si x = 0.8, el 80% de la masa de agua está en estado gaseoso y 20% en estado líquido.
Lo que no cambia, sin embargo, es la combinación de presión y temperatura durante este proceso. Esto significa que si idealmente el vapor entra al intercambiador de calor a 3 bar g y 144 ºC, si hay presencia de condensados, a la misma presión y temperatura, y dependiendo de la calidad de vapor, éste puede llegar a perder hasta 1.800 kJ/kg del calor latente. Por lo tanto, si el líquido, el vapor y cualquier estado intermedio pueden existir a la misma presión y temperatura, es imposible determinar la calidad sólo midiendo la presión y la temperatura.
Fig.2: Diagrama de Mollier para el agua.
A continuación lo detallamos con un ejemplo: el agua que se calienta de 20 °C (A) a 100 °C (B) requiere aproximadamente 4.2 kJ/kg⋅K de energía.
Para convertir agua (B) en vapor (C) a 100 °C y 1.013 bar abs., se requieren 2.255 kJ/kg.
Durante este proceso, la calidad se incrementa de 0 a 1.
Problemas en producción
Una preocupación común en la seguridad relacionada con el suministro de vapor a planta, es el arrastre indeseado de agua en el sistema de vapor (arrastre de condensados), pudiendo generar graves problemas de funcionamiento.
Hay dos puntos básicos en la generación de condensados en las líneas de vapor.
Por un lado, cualquier obstáculo (codos, reducciones, válvulas, etc.) en las líneas de vapor generará una pérdida de presión y por lo tanto, el vapor saturado, bajará su calidad.
Por otro lado, si hay demasiados usuarios requiriendo vapor al mismo tiempo, con un dimensionado incorrecto de la caldera, se producirá un súbito arrastre de agua por el sistema de vapor, ya que el exceso de demanda no permite que la caldera pueda generar el suficiente.
Si las trampas de condensado no funcionan adecuadamente o no hay suficientes, podemos llegar a arrastrar todo este condensado reduciendo la eficiencia del sistema de vapor ya que el vapor húmedo tiene menor energía que el vapor saturado.
Fig. 3: Diferentes imágenes de calidad de vapor (de izquierda a derecha: 100%, 95%, 90%). Una calidad del 90% significa que el 10% de la masa total es agua.
Solución: Detección de vapor húmedo con un caudalímetro Vortex
En el mercado, la evolución de los equipos de medición de caudal ha llevado a que el caudalímetro Vortex, además de medir el caudal másico de vapor saturado (si el propio equipo incorpora la compensación de temperatura), nos permita también medir la calidad del vapor que está circulando. El propio sensor que capta los vórtices producidos, se encarga de evaluar la amplitud del vórtice que impacta discriminando si el producto de proceso es vapor saturado con mayor o menor contenido de agua. El propio instrumento genera una alarma de vapor húmedo informando del porcentaje de vapor húmedo al operador de planta, para que éste tome las acciones correctivas necesarias.
Fig. 4: Tan pronto como el vapor húmedo pasa a través del caudalímetro Vortex, el equipo muestra un mensaje de alarma, indicando el porcentaje de vapor húmedo.
Esta solución técnica, convierte al caudalímetro Vortex en un transmisor multivariable que, con la funcionalidad de detección de vapor húmedo, aumenta la seguridad y eficiencia en la medición de vapor saturado.
En la siguiente y última entrada hablaremos sobre la medición en calderas de vapor, qué parámetros son importantes y las soluciones de Endress&Hauser.
Agradecimiento especial a Oliver Reher de Endress&Hauser por la información aportada para la elaboración de este artículo.
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