El Vapor de Agua como fuente de transporte de energía en la industria
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Objetivos..

¿Qué utilidad tiene conocer sobre las propiedades del vapor de agua?
Fluidos portadores energéticos.
Cambios de estado de los fluidos portadores.
Diagramas termodinámicos del agua y del vapor de agua. (Diagrama de Mollier)
Ciclos de vapor.

¿Qué utilidad tiene conocer sobre las propiedades del vapor de agua?

Conociendo las propiedades del vapor de agua en los distintos puntos característicos de un proceso energético, así como el procedimiento que se debe ejecutar para obtener determinados indicadores técnicos, unido a otros parámetros que caracterizan la combustión y las pérdidas de energía, se puede evaluar la eficiencia de operación de los Sistemas de Calor y Vapor de Agua, así tomar acciones para mejorar el uso de la energía.

En todos los procesos industriales donde se genere calor y/o vapor de agua se requiere controlar los consumos energéticos y para ello hay que contabilizar y optimizar los procesos de generación y transformación de la energía. Infinidad de operaciones industriales requieren primero conocer los parámetros termodinámicos del vapor de agua o del portador energético, para con estos valores poder actuar sobre los procesos, modificando su marcha y con ello, funcionar de forma eficiente. Se nombran algunas de estas operaciones:
El intercambio de calor, el calentamiento, el precalentamiento, la fusión.
La transportación de energía, la condensación de vapores, la transportación del condensado. El bombeo de líquidos y la compresión. La extracción de condensados.
La evaporación de líquidos, la revaporización, la lixiviación, la destilación, la absorción y la adsorción.
El aislamiento térmico y su selección económica y eficiente.
Otras más.

El portador energético más utilizado industrialmente por infinidad de razones, muchas que se explican más adelante en esta misma hoja, es el vapor de agua. De ahí que poder contar con un sistema que determine las propiedades termodinámicas del vapor de agua, de fácil acceso por encontrarse online y al alcance de todos, donde introduciendo los parámetros de operación presión y temperatura, tomados en un punto del sistema energético, reporte las variables de estado para el vapor de agua, es una ayuda práctica para realizar los cálculos termoenergéticos y poder controlar la operación de los equipos.

En esta biblioteca sobre el Sistema Calor - Vapor de Agua, se han preparado varios documentos con la información teórica que se requiere para saber manejar los Calculadores_Energéticos. y aplicarlos.

Se repasarán las operaciones básicas de cálculo termodinámico que se encuentran en el proceso de contabilización de las entradas, salidas y pérdidas de energía. Se comenzará este recuento por el ciclo termodinámico Rankine, empleado para convertir el calor en trabajo mecánico, eléctrico o de otra índole. Las Plantas Termoeléctricas utilizan este ciclo para generar electricidad

Los movimientos de energía que se irán contabilizando e irán formando parte de las cifras del balance energético. En estos capítulos se tratarán las principales fuentes de pérdidas en el generador de vapor, como son las pérdidas en humos, las pérdidas por combustión, las pérdidas en superficies y las pérdidas en purgas (extracción continua y de fondo). Abarcará el recuento, una breve descripción de los conceptos de mayor importancia sobre los fluidos portadores energéticos, las formas de transportar energía y sus propiedades termodinámicas.

Fluidos portadores energéticos.

Para transmitir energía entre puntos distantes se emplean conductores y portadores energéticos. Si el portador energético es la electricidad, el transporte entre dos puntos se realiza mediante conductores de cobre o aluminio generalmente. Si la energía se encuentra en forma de calor, se transporte mediante la utilización de fluidos portadores energéticos a través de tuberías aisladas térmicamente. Este es el caso del Vapor de Agua.

Conocemos que el calor se genera de una fuente primaria mediante el proceso de combustión, bien sea de un combustible fósil o de un biocombustible. También se transforma la energía solar en calor cuando se somete al calentamiento solar los fluidos térmicos. Otra forma de generar energía y convertirla en calor es empleando la fusión atómica. El calor liberado por cualquiera de los procesos anteriores es absorbido por el fluido portador en el equipo tecnológico donde se desarrolla el proceso. Posteriormente el fluido portador es transportado a los puntos de distribución.

En el punto donde se necesita utilizar el calor, el fluido portador cede el calor anteriormente absorbido. Este calor cedido puede convertirse nuevamente en calor en el equipo de utilización, calentando locales u otras sustancias y materiales. También puede transformarse en trabajo útil, como energía mecánica para el bombeo de fluidos líquidos, gaseosos, inclusive para izaje, o movimientos de sólidos. Para los que dominan estos temas termodinámicos y lo han aplicado en su trabajo como técnicos e ingenieros, es conocido que el calor transportado en el fluido portador se convierte en energía mecánica en las turbinas y esta energía mecánica se transforma en energía eléctrica mediante un generador de inducción magnética acoplado a la turbina, generándose así la electricidad termoeléctrica. La electricidad generada en Plantas Térmicas hoy tiene el mayor peso en el total mundial generado, sea base carbón, coque, base fuel, o base gas natural.

El fluido portador energético más empleado es el agua en fase vapor, por las siguientes razones:

a) fácil obtención
b) bajo costo
c) alto calor específico
d) alto calor de vaporización
e) temperatura y estado de utilización controlable, mediante el ajuste de su presión
f) propiedades físico químicas que facilitan su empleo económico, como que no afecta la salud de las personas, facilidad para procesarla en ciclos térmicos, fácil de trasportar en fase líquida y gaseosa, nivel de corrosión controlable, posibilidad de mejorar su calidad mediante tratamientos químicos - físicos, y otras más.

El vapor de agua tiene sus inconvenientes. Cuando se piensa en altas temperaturas, más de 200 ºC el vapor de agua comienza a aumentar muy rápidamente la presión ante pequeños incrementos de temperatura. A 392 ºF (200ºC) la presión de vapor saturado es de 225.76 psia (15.36 kg/cm2) y a 600 ªF ( 316 ºC) se eleva a 1542.90 psia (105 kg/cm2). Este comportamiento del vapor hace que los equipos que operan a temperaturas mayores a 200 ºC tengan un costo elevado, al operar a altas presiones.

Un fluido térmico que opere a presiones bajas y altas temperaturas y que no sufra cambio de estado al enfriarse, tiene sus ventajas pues no requiere de sistemas de condensados ni de trampas de vapor. Las sustancias utilizadas generalmente son líquidos sintéticos, con bajo índice de toxicidad y descomposición térmica.

Conocemos que se emplean otros fluidos portadores energéticos que generalmente presentan cambios de estado en el ciclo termodinámico donde realizarán su trabajo. Ya en nuestra web, en documentos anteriores, se han estudiado otros fluidos portadores. Están publicados varios artículos y calculadores_energéticos, sobre los refrigerantes sintéticos y el amoniaco.

Volvemos al vapor.

Para convertir el calor en trabajo, el fluido portador realiza ciclos de operación, donde en una parte del proceso cede la energía que transporta y en otra etapa del ciclo absorbe nuevamente calor para recuperarse y volver al equipo que genera el trabajo.

La absorción o liberación de calor puede realizarse de dos formas: Sin y con cambio de fase.
Sin cambio de fase: La absorción o cesión de calor será en forma de CALOR SENSIBLE. Interviene la temperatura inicial y final del fluido portador.
Con cambio de fase: El calor absorbido y cedido será CALOR SENSIBLE Y CALOR LATENTE. El calor latente será el generado por el cambio de fase o de estado.

Cambios de estado del fluido portador energético - vapor de agua.

En el ciclo termodinámico el vapor se comporta de la manera siguiente:
Proceso sensible: El agua absorbe calor, desde la temperatura ambiente o la del punto de partida. Al llegar a 100 ºC, aparecerá la primera burbuja de vapor. El calor acumulado en este proceso se denomina Calor Sensible. Cuando el agua llega a 100 ºC se le denomina líquido saturado.
Proceso latente: Si continuamos dando calor al agua saturada, se irá convirtiendo paulatinamente en vapor, hasta llegar a una fase en que toda el agua está en forma de vapor. Si disminuimos un diferencial de temperatura, aparecerá la primera gota de líquido. En ese punto, cuando alcanza el agua la vaporización total, se le denomina estado de vapor saturado.
El calor acumulado en este proceso se denomina Calor Latente. El calor total acumulado en este punto será igual a la suma de calor absorbido en el proceso sensible más el correspondiente al proceso latente.
Proceso de recalentamiento: Si al vapor saturado le seguimos suministrando calor, se irá enriqueciendo energéticamente, habrá una mayor movilidad de sus moléculas, velocidad y choques entre ellas, alcanzando el estado gaseoso. El calor que al final contendrá el vapor recalentado se corresponderá con la suma de los dos procesos anteriores más el calor absorbido durante el recalentamiento. El contenido energético es tal que aunque disminuyamos un diferencial de temperatura, no existirá posibilidades que se forme gotas de líquido, encontrándose el vapor totalmente seco.

Seguidamente se muestra en cifras y se compara el contenido energético del agua en cada uno de los procesos anteriores. Para ello calentaremos la unidad de masa (1 lb o 1 kg) mediante un proceso de calor sensible, latente y recalentado, tal y como se describe seguidamente:

1 lb de agua contenida en un recipiente cuya presión permanecerá constante a 140 lb/plg2 abs en las dos primeras etapas y posteriormente aumentará, en función del calor suministrado hasta alcanzar 180 lb/plg2 abs y 460 ºF.

a) El agua inicialmente se encuentra a una temperatura de 32 ºF y presión de 140 lb/plg2. La entalpía del agua líquida bajo esas condiciones es de 0 BTU/lb, por definición.
b) Se suministra calor al recipiente anterior y el agua irá aumentando su energía interna, transcurriendo el proceso sensible.
c) Aparecerá la primera burbuja de vapor a una temperatura de 353.02 ºF (recordemos que la presión es 140 lb/plg2) y concluirá la etapa de absorción por calor sensible. Al final del proceso, el calor que ha absorbido por la lb de agua es igual 324.8 Btu/lb, dato tomado de las Tablas de propiedades termodinámicas del vapor de agua publicadas por Joseph H. Keenan
d) Seguidamente, comenzará el agua líquida a cambiar de fase. Aparecerá la fase vapor, la que se irá enriqueciendo en la medida que el agua sigue aumentando su energía interna. Hasta que toda el agua líquida se convierta en vapor, habrá un equilibrio de fases, entre la líquida y el vapor. Este proceso sucederá a presión y temperatura constante. (la presión de 140 psia y la temperatura de 353.02 ºF ) y se conoce como proceso latente. Cuando toda el agua líquida se ha transformado en vapor, que denominamos saturado, concluirá el proceso de absorción de calor latente. El calor que ha absorbido la lb de agua para cambiar de fase es igual a la diferencia de entalpía o contenido energético, entre el punto donde empezó y donde terminó la absorción de calor latente. Para las condiciones fijadas de presión absoluta, la entalpía del vapor saturado es de 1192.4 Btu/lb y la diferencia respecto a la del líquido saturado antes de aparecer la primera burbuja de vapor, es igual al calor latente. (1192.4 - 324.8 = 867.7) Btu/lb
d) Si seguimos suministrando calor al vapor saturado lo convertiremos en vapor recalentado. En este proceso aumentarán tanto la temperatura como la presión absoluta del vapor, sobre los valores anteriores de saturación hasta alcanzar el valor del punto final del proceso. Bajo las condiciones de 180 lb/plg2 abs y 460 ºF, la entalpía del vapor recalentado es de 1248.3 btu/lb.

Restando desde el punto final alcanzado por el vapor recalentado, los incrementos de energía que se han producido en cada proceso, desde el punto de partida como agua líquida a 32 ºF, se puede comparar las cifras y conocer las diferencias del comportamiento del agua - vapor de agua en la medida que va absorbiendo energía y cambiando de fase.

Ganancia de calor sensible = 324.8 Btu/lb
Ganancia por calor latente = 867.7 Btu/lb
Ganancia por recalentamiento = 55.9 Btu/lb

Se muestra claramente como el calor latente es 2.7 veces superior a su calor sensible y también superior al calor absorbido por el recalentamiento. Una buena cualidad del fluido portador energético agua, es que tiene un calor latente comparativamente alto con respecto a otros fluidos, por lo que se requiere una menor cantidad de masa a transportar para realizar igual trabajo energético.

En la medida que se desarrolla el proceso inverso, de enfriamiento y el vapor vuelve al estado original o va disminuyendo su temperatura y presión, el vapor va cediendo al medio exterior el calor que había ganado. Si este calor que entrega el vapor al disminuir su temperatura y presión es controlado a través de equipos de intercambio calórico, para su utilización práctica en el calentamiento de materiales, alimentos, aire o procesos que necesiten la energía térmica, estaremos empleando el vapor como un fluido térmico que transporta la energía calórica y la cede bajo un control determinado.

Diagramas termodinámicos del agua y del vapor de agua. (Diagrama de Mollier)
Nota: Para la explicación sobre el Diagrama de Mollier nos hemos apoyado en la información y gráficos demostrativos tomados de la web http://www.cec.uchile.cl/reproduciendo aquí un resumen de la misma.

Para cada estado energético del Vapor de Agua, existe una correlación de valores de presión, temperatura que se complementan con la calidad del vapor para determinar su contenido energético o entalpía, por lo que podemos evaluar las características energéticas del fluido térmico, en un estado determinado, si conocemos estos parámetros. Existen Tablas o Diagramas donde estos valores están registrados, los que son ampliamente utilizados para realizar los cálculos de la demanda y consumo de vapor. Hay Tablas para el estado de Vapor Saturado, donde la temperatura es suficiente para determinar la entalpía, y para el Vapor Recalentado, donde el contenido energético dependerá tanto de la temperatura como de la presión absoluta. El Diagrama de Mollier es la representación gráfica de las curvas formadas por los puntos de coordenadas presión - temperatura que son representativas de las variables de estado de un fluido portador energético, en este caso, vapor de agua. En la siguiente figura se muestra una representación gráfica del Diagrama de Mollier del Vapor de Agua. Al usar los ejes H-S (entalpía - entropía) se tiene la enorme ventaja de que es sencillo poder determinar los intercambios de calor y trabajo para casi cualquier evolución. Basta aplicar el primer principio de la termodinámica:
Δ H = ΔQ - ΔWtec
Si el proceso es adiabático, la variación de entalpía reporta directamente el trabajo realizado.
Si el proceso es ideal, sin pérdidas mecánicas, la entropía es constante y la línea que representa al proceso será una vertical.

Dentro de la curva o campana, ocurrirá el proceso de cambio de fase. Se debe tener claro que las isotermas (temperatura constante) y las isóbaras (presión constante) se confunden en una línea única que llamamos rectas de condensación. En el Diagrama se lee directamente la presión. Para leer la temperatura es necesario subir por la recta de condensación y leer la temperatura en x=1 (línea de vapor saturado).
Las otras líneas de importancia en esta zona son las líneas de igual título. Definiremos al título x del vapor como:
x = (Masa Vapor saturado) / (liq. + vap. satur.)
No olvidar que un líquido está saturado cuando está en equilibrio con su fase vapor. Asimismo el vapor está saturado cuando está en equilibrio con la fase líquida. Por lo tanto el concepto de título representa la fracción de vapor saturado que existe en una masa unitaria de líquido y vapor saturado. El concepto de título no tiene sentido fuera de la campana de cambio de fase.

Zona de vapor recalentado: En esta zona se separan las isóbaras de las isotérmicas. Además de la información obvia que se extrae directamente del Diagrama (Entalpía y Entropía en un punto), se puede además obtener información adicional. En efecto se puede obtener:
Calor específico a presión constante: En la zona de vapor sobrecalentado la pendiente de la isóbara está relacionada con Cp, en efecto Cp = dQ/dT ; por lo tanto si uno supone un calentamiento isobárico se tiene que dQ = dH o bien ΔQ = ΔH para un valor de ΔT razonable (por ejemplo 5 a 10ºC).
Calor específico a volumen constante: Si en el Diagrama de Mollier aparecen las isocoras (líneas de volumen específico constante) también es posible obtener los valores de Cv en diferentes partes de la zona de vapor sobrecalentado usando un método análogo al anterior.

Ciclos de vapor.

Son conocidas las Plantas de Generación Eléctrica basadas en el proceso cíclico de la quema de un combustible fósil (en un generador de vapor o caldera ) y el transporte de energía (mediante sistemas de tuberías) a través del fluido portador vapor de agua, hasta una máquina de expansión (turbina). En esta máquina el vapor cede su energía y se transforma en trabajo.

El agua líquida que se convertirá en vapor es previamente tratada, precalentada, comprimida y transportada dentro del domo del generador de vapor. El agua circula por dentro de los tubos del generador o caldera que están colocados en las paredes que rodean el hogar donde se desarrolla la combustión. El proceso de combustión tiene lugar en el quemador, cuya tarea es la de mezclar lo mejor posible el combustible con el oxígeno contenido en el aire. Por eso la combustión se desarrolla cuando está presente un volumen mínimo de aire. En la medida que el mezclado y la proporción del aire es cercana a la requerida técnicamente, la combustión se hace más eficiente.

La circulación del agua dentro del generador de vapor puede ser natural (por diferencia de densidades), o forzada, en función de la productividad del generador. Así el agua absorbe el calor generado en el proceso de combustión, de diferentes maneras: principalmente por convección, al hacer contacto los productos de la combustión que se generan a altas temperaturas con la superficie exterior de los tubos de agua y por la radiación calórica emitida por la energía de la llama. Finalmente el agua se vaporiza, genera vapor saturado, el que posteriormente también puede ser recalentado. Al pasar al estado gaseoso, el agua ha cambiado su fase de líquido a vapor.

El vapor recalentado es conducido a la máquina térmica, donde se inyecta y se expande, haciendo rotar los álabes de la turbina, o moviendo los pistones de una maquinaria reciprocante. Estos equipos pueden estar acoplados a un generador eléctrico. En un ciclo cerrado, que es el generalizado, el vapor expandido, que ya ha cedido gran parte de la energía que transportaba, agotado, se condensa y se enfría, pasando nuevamente a la fase líquida. El agua líquida es nuevamente pretratada, precalentada, comprimida y transportada al generador de vapor, completándose el ciclo termodinámico. Así un proceso de combustión externa, desarrollado y controlado en un generador de vapor, calienta el fluido energético agua - vapor de agua, que absorbe y transporta energía a una máquina térmica donde cede energía y ésta se transforma en trabajo mecánico que a su vez se transforma en energía eléctrica o cualquier otro tipo de trabajo útil, condensándose el vapor agotado y retornando nuevamente el agua líquida al punto inicial del ciclo.

Existen varias combinaciones o ciclos térmicos, pero todos tienen en común que la absorción de calor del fluido es a presión constante y el portador genera trabajo al ceder calor y expandirse en la máquina térmica. Durante la expansión ocurren diferentes procesos reales que introducen pérdidas térmicas, por lo que este tipo de proceso se define como irreversible, ya que es obligado por naturaleza coexistir con una pérdida de energía que se cede al ambiente y es irrecuperable.

Los procesos de expansión ideales no toman en cuenta estas pérdidas obligadas y por eso en el proceso de expansión en la máquina térmica, la entropía inicial y final coincide, denominándose expansión isentrópica. En la medida que la diferencia de entropía en la expansión aumente, mayor será la irreversibilidad del proceso y su eficiencia irá descendiendo.

La eficiencia de cualquier de los ciclos térmicos posibles se determina relacionando el trabajo realizado entre el calor cedido.

Para calcular la eficiencia energética de un ciclo determinado, se contabilizan todas las entradas y salidas de energía, despejando aquellas que son pérdidas y las que se han convertido en trabajo. A esta operación se le denomina Balance de Calor o de Energía.