I. INTRODUCCIÓN

El agua es una sustancia que en condiciones moderadas de presión y

temperatura se presenta en los tres estados de agregación. Su importancia para

la vida no es necesario remarcarla, pero también es fundamental en la inmensa

mayoría de los procesos químicos y de ingeniería. No solo es el disolvente

universal sino que también es usada en circuitos de refrigeración, ciclos de

potencia, y en multitud de aparatos y operaciones en los que absorben o cede

energía, con o sin cambios de fase.

Por tanto, el conocimiento de sus propiedades termodinámicas y de transporte

es fundamental en esta rama de la ingeniería química y, aunque este estudio no

es propio de una asignatura de "Operaciones Básicas", es imprescindible para

poder encarar con un mínimo de garantías el tema de la evaporación que se

pretende desarrollar.

La medida experimental y el cálculo analítico de las propiedades de los cuerpos

son tareas costosas; por ello, solo se poseen datos relativamente completos de

los cuerpos que tienen aplicación industrial, y entre ellos, como se ha citado, el

agua, sobre todo a partir del desarrollo de las máquinas y generadores de vapor.

II. MARCO TEÓRICO

II.1. ¿QUÉ ES EL VAPOR DE AGUA?

El vapor de agua es el gas formado cuando el agua pasa de un estado liquido a

uno gaseoso. A un nivel molecular esto es cuando las moléculas de H2O logran

liberarse de las uniones (ej. Uniones de hidrógeno) que las mantienen juntas.

II.2. ¿CÓMO FUNCIONA EL VAPOR DE AGUA?

En el agua líquida, las moléculas de H2O están siendo unidas y separadas

constantemente. Sin embargo, al calentar las moléculas de agua, las uniones

que conectan a las moléculas comienzan a romperse más rápido de lo que

pueden formarse. Eventualmente, cuando suficiente calor es suministrado,

algunas moléculas se romperán libremente. Estas moléculas "libres" forman el

gas transparente que nosotros conocemos como vapor, o más específico vapor

seco.

II.2.1. VAPOR HUMEDO VS VAPOR SECO

En industrias usuarias de vapor, existen dos términos para el vapor los cuales

son, vapor seco (también conocido como "vapor suturado") y vapor húmedo.

Vapor seco aplica a vapor cuando todas sus moléculas permanecen en

estado gaseoso.

Vapor húmedo aplica cuando una porción de sus moléculas de agua han

cedido su energía (calor latente) y la condensado forma pequeñas gotas de

agua.

Tome por ejemplo una pequeña tetera con agua a su punto de ebullición. El

agua primeramente es calentada, y conforme el agua absorbe más y más calor,

sus moléculas se agitan más y más y empieza a hervir. Una vez que suficiente

energía es absorbida, se evaporiza parte del agua, lo que puede representar un

incremento de tanto como 1600X en volumen molecular.

En algunas ocasiones se puede observar una pequeña neblina saliendo de la

boquilla de la tetera. Esta neblina es un ejemplo de que tan seco es el vapor,

cuando se libera en una atmosfera más fría, pierde un poco de su energía al

transferirla al aire. Si se pierde suficiente energía las uniones intermoleculares

se empiezan a formar nuevamente, y se pueden observar pequeñas gotas de

agua en el aire. Esta mezcla de agua en estado líquido (pequeñas gotas) y

estado gaseoso (vapor) recibe el nombre de vapor húmedo.

Fig. 1. Vapor húmedo vs Vapor seco

II.2.2.

TIPOS DE VAPOR DE AGUA

Si es agua es calentada mas por sobre su punto de ebullición, esta se convierte

en vapor, o agua en estado gaseoso. Sin embargo, no todo el vapor es el

mismo. Las propiedades del vapor varían de gran forma dependiendo de la

presión y la temperatura la cual está sujeta.

Fig.2. Relación presión-temperatura del Agua y Vapor

Los resultados del vapor saturado (seco) cuando el agua es calentada al punto

de ebullición (calor sensible) y después evaporada con calor adicional (calor

latente). Si este vapor es posteriormente calentado por arriba del punto de

saturación, se convierte en vapor sobrecalentado (calor sensible).

A. VAPOR SATURADO

Como se indica en la línea negra en la parte superior de la grafica, el vapor

saturado se presenta a presiones y temperaturas en las cuales el vapor (gas) y el

agua (liquido) pueden coexistir juntos. En otras palabras, esto ocurre cuando el

rango de vaporización del agua es igual al rango de condensación.

Ventajas de usar vapor saturado para calentamiento

El vapor saturado tiene varias propiedades que lo hacen una gran fuente de

calor, particularmente a temperaturas de 100 °C (212°F) y más elevadas. Algunas

de estas son:

Propiedad Ventaja

Calentamiento equilibrado a través

de la transferencia de calor latente y

Rapidez

Mejora la productividad y la calidad del

producto

La presión puede controlar la

temperatura

La temperatura puede establecerse rápida y

precisamente

Elevado coeficiente de transferencia

de calor

Área de transferencia de calor requerida es

menor, permitiendo la reducción del costo

inicial del equipo

Se origina del agua Limpio, seguro y de bajo costo

Tips de vapor saturado

Habiendo dicho esto, es necesario tener presente lo siguiente cuando se

calienta con vapor saturado:

La eficiencia de calentamiento se puede ver reducida si se usa un vapor

diferente al vapor seco para los procesos de calentamiento. Contrario a la

percepción común, virtualmente no todo el vapor generado en una caldera

es vapor seco, si no vapor húmedo, el cual contiene algunas moléculas de

agua no vaporizadas.

La perdida de calor por radiación ocasiona que una parte del vapor se

condense. Por lo tanto el vapor húmedo generado se vuelve aun más

húmedo, y también se forma más condensado, el cual debe ser removido al

instalar trampas de vapor en las locaciones apropiadas.

Condensado el cual es más pesado caerá del flujo de vapor y puede ser

removido a través de piernas de condensado y trampas de vapor. Sin

embargo, el vapor húmedo que es arrastrado reducirá la eficiencia de

calentamiento, y deberá ser removido por medio de estaciones de

separación en el punto de uso o en la distribución.

El vapor que incurre en pérdidas de presión debido a exceso de fricción en

la tubería, etc., podría resultar también en su correspondiente perdida en

temperatura.

B. VAPOR HUMEDO

Esta es la forma más común da vapor que se pueda experimentar en plantas.

Cuando el vapor se genera utilizando una caldera, generalmente contiene

humedad proveniente de las partículas de agua no vaporizadas las cuales son

arrastradas hacia las líneas de distribución de vapor. Incluso las mejores calderas

pueden descargar vapor conteniendo de un 3% a un 5% de humedad. Al

momento en el que el agua se aproxima a un estado de saturación y comienza a

evaporarse, normalmente, una pequeña porción de agua generalmente en la

forma de gotas, es arrastrada en el flujo de vapor y arrastrada a los puntos de

distribución. Este uno de los puntos claves del porque la separación es usada

para remover el condensado de la línea de distribución.

C. VAPOR SOBRECALENTADO

El vapor sobrecalentado se crea por el sobrecalentamiento del vapor saturado o

húmedo para alcanzar un punto mayor al de saturación. Esto quiere decir que es

un vapor que contiene mayor temperatura y menor densidad que el vapor

saturado en una misma presión. El vapor sobrecalentado es usado

principalmente para el movimiento-impulso de aplicaciones como lo son las

turbinas, y normalmente no es usado para las aplicaciones de transferencia de

calor.

Ventajas para usar Vapor sobrecalentado para impulsar turbinas

Para mantener la sequedad del vapor para equipos impulsados por vapor,

para los que su rendimiento se ve afectado por la presencia de condensado

Para mejorar la eficiencia térmica y capacidad laboral, ej. Para lograr

mayores cambios en el volumen especifico del estado sobrecalentado a

menores presiones, incluso a vacío.

Es ventajoso tanto como para suministro así como para la descarga de vapor

mientras que se encuentre en el estado de sobrecalentamiento ya que el

condensado no se generara dentro del equipo impulsado por vapor durante una

operación normal, minimizando así el riesgo a daños ocasionados por la erosión

o la erosión acido carbónica. Además, como la eficiencia térmica teórica de la

turbina es calculada del valor de la entalpía a la entrada y a la salida de la

turbina, incrementando el grado de sobrecalentamiento así como la presión

incrementa la entalpía a la entrada de la turbina, y es por lo tanto efectiva al

mejorar la eficiencia térmica.

Desventajas de usar vapor sobrecalentado para calentamiento

Propiedad Desventaja

Bajo coeficiente de

transferencia de calor

Reduce la productividad

Se requiere un superficie mayor para la transferencia

de calor

Temperatura variable aun a

una presión constante

El vapor sobrecalentado requiere mantener una

velocidad elevada, de lo contrario la temperatura

disminuirá ya que se perderá el calor del sistema

Calor sensible utilizado

para la transferencia de

calor

Las caídas de temperatura pueden tener un impacto

negativo en la calidad del producto

La temperatura podría ser

extremadamente elevada

Se podrían requerir materiales más fuertes para la

construcción de equipos, requiriendo un mayor costo

inicial.

Por estas y otras razones, se prefiere al vapor saturado por sobre el vapor

sobrecalentado como medio de calentamiento en intercambiadores de calor y

otros equipos de transferencia de calor. Por otro lado, desde el punto de vista de

usarlo como fuente de calor para un calentamiento directo como un gas de alta

temperatura, tiene algunas ventajas por sobre el aire caliente como que puede

ser usado como fuente de calentamiento bajo las condiciones de libre de oxigeno.

De igual manera se realizan investigaciones para el uso de vapor sobrecalentado

en aplicaciones de industrias procesadoras de alimentos tales como el cocimiento

y el secado.

D. AGUA SUPERCRÍTICA

El agua supercrítica es agua en estado que excede su punto crítico: 22.1MPa,

374 °C (3208 psia, 705°F). En el punto crítico, el calor latente del vapor es

cero, y su volumen específico es exactamente igual ya sea que se considere

como gas o líquido. En otras palabras, el agua que se encuentra a una presión

y temperatura mayor que la de su punto crítico es un estado indistinguible en el

cual no es líquido o gas.

El agua supercritica es utilizada para impulsar turbinas en plantas de energía

que demandan mayor eficiencia. Investigaciones sobre agua supercritica se

realizan con un énfasis hacia su uso como fluido que tiene propiedades tanto

de líquido y gas, y en particular que es adecuado para su uso como solvente

para reacciones químicas

II.2.3. VARIOS ESTADOS DEL AGUA

A. AGUA NO SATURADA

Esta es agua en su estando mas reconocido. Aproximadamente 70% del peso del

cuerpo humano es de agua. En la forma líquida del agua, las uniones de

hidrogeno mantienen unidas las moléculas de hidrogeno. Como resultado, el

agua No-saturada posee una estructura relativamente densa, compacta y

estable.

B. AGUA SATURADA

Las moléculas saturadas de vapor son invisibles. Cuando el vapor saturado es

liberado a la atmosfera al ser venteado de una tubería, parte de él se condensa

al transferir su calor al aire circundante, y se forman nubes de vapor blanco

(pequeñas gotas de agua). Cuando el vapor incluye estas pequeñas gotas de

agua, se le llama vapor húmedo.

En un sistema de vapor, el vapor es liberado por las trampas de vapor es

generalmente confundido con vapor (vivo) saturado, mientras que en realidad

es vapor flash. La diferencia entre los dos es que el vapor saturado es invisible

inmediatamente a la salida de la tubería mientras que el vapor flash contiene

pequeñas gotas de agua que se forman una vez expuesto al ambiente.

C. VAPOR SOBRECALENTADO

Mientras retenga su estado de sobrecalentamiento, el vapor sobrecalentado no

se condensara aun cuando entre en contacto con la atmosfera y su temperatura

descienda. Como resultado, no se forman nubes de vapor. El vapor

sobrecalentado almacena más calor que el vapor saturado a la misma presión, y

el movimiento de sus moléculas es mucho más rápido por lo tanto tiene menor

densidad (ej. su volumen especifico es mayor)

D. AGUA SUPER CRÌTICA

A pesar de que no es posible de identificar por confirmación visual, esta es agua

en una forma en la cual no es ni liquido ni gas. La idea general es de un

movimiento molecular que es cercano al gas, y una densidad que es cercana a la

de un líquido.

II.2.4. APLICACIONES PRINCIPALES DEL VAPOR DE AGUA

El vapor es usado en un gran rango de industrias. La aplicaciones más

comunes para el vapor son, por ejemplo, procesos calentados por vapor en

fábricas y plantas, y turbinas impulsadas por vapor en plantas eléctricas, pero

el uso del vapor en la industria se extiende mas aya de las antes mencionadas.

Algunas de las aplicaciones típicas del vapor para las industrias son:

A. Vapor de Presión Positiva

El vapor generalmente es producido y distribuido en una presión positiva. En la

mayoría de los casos, esto significa que es suministrado a los equipos en

presiones mayores a 0 MPaG (0 psig) y a temperaturas mayores de 100°C

(212°F).

Las aplicaciones de calentamiento para vapor a presión positiva se pueden

encontrar en plantas procesadoras de alimentos, plantas químicas, y refinerías

solo por nombrar algunas. El vapor saturado es utilizado como la fuente de

calentamiento para fluido de proceso en intercambiadores de calor, reactores,

reboilers, precalentadores de aire de combustión, y otros tipos de equipos de

transferencia de calor.

B. Intercambiador de Calor de Tubos y Coraza

En un intercambiador de calor, el vapor eleva la temperatura del producto por

transferencia de calor, el cual después se convierte en condensado y es

descargado a través de una trampa de vapor.

C. Horno de Vapor

Vapor sobrecalentado entre 200 – 800°C (392 - 1472°F) a presión atmosférica

es particularmente fácil de manejar, y es usado en los hornos domésticos de

vapor vistos hoy en dia en el mercado.

D. Vapor al Vacío

El uso de vapor para el calentamiento a temperaturas por debajo de 100°C

(212°F), tradicionalmente el rango de temperatura en el cual se utiliza agua

caliente, ha crecido rápidamente en los últimos años.

Cuando vapor saturado al vacío es utilizado en la misma forma que el vapor

saturado a presión positiva, la temperatura del vapor puede ser cambiada

rápidamente con solo ajustar la presión, haciendo posible el controlar la

temperatura de manera más precisa que las aplicaciones que usan agua

caliente. Sin embargo, en conjunto con el equipo se debe utilizar una bomba de

vacío, debido a que el solo reducir la presión no lo hará por debajo de la

presión atmosférica.

E. Calentamiento con Calor (Vapor) Latente

Comparado con un sistema de calentamiento de agua caliente, este sistema

ofrece rapidez, calentamiento balanceado. Se alcanza rápidamente la

temperatura deseada sin ocasionar un desbalance en la temperatura en sí.

F. Vapor para Impulso/Movimiento

El vapor se usa regularmente para propulsión (así como fuerza motriz) en

aplicaciones tales como turbinas de vapor. La turbina de vapor es un equipo

esencial para la generación de electricidad en plantas termoeléctricas. En un

esfuerzo por mejorar la eficiencia, se han realizado progresos orientados al uso

del vapor a presiones y temperaturas aun mayores. Existen algunas plantas

termoeléctricas que utilizan vapor sobrecalentado a 25 MPa abs (3625 psia),

610°C (1130°F), presión supercrítica en sus turbinas.

Generalmente el vapor sobrecalentado se usa en las turbinas de vapor para

prevenir daños al equipo causados por la entrada de condensado. Sin

embargo, en ciertos tipos de plantas nucleares, el uso de vapor a alta

temperatura se debe de evitar, ya que podría ocasionar daños al material

usado en las turbinas. Se utiliza en su lugar vapor saturado a alta presión. En

donde se usa vapor saturado, generalmente se instalan separadores en la línea

de suministro de vapor para remover el condensado del flujo de vapor.

Además de la generación de energía, otras aplicaciones típicas de

impulso/movimiento son los compresores movidos por turbinas o las bombas,

ej. Compresor de gas, bombas para las torres de enfriamiento, etc.

G. Generador de Turbina

La fuerza motriz del vapor ocasiona que los alabes giren, lo que ocasiona rote

el rotor que se encuentra acoplado al generador de energía, y esta rotación

genera la electricidad.

H. Vapor como Fluido Motriz

El vapor puede ser usado de igual manera como una fuerza “motriz” para

mover flujos de líquido o gas en una tubería. Los eyectores de vapor son

usados para crear el vacío en equipos de proceso tales como las torres de

destilación que son utilizadas para purificar y separar flujos de procesos. Los

eyectores también pueden ser utilizados para la remoción continua del aire de

los condensadores de superficie, esto para mantener una presión de vacío

deseada en las turbinas de condensación (vacío).

I. Eyector para Condensador de Superficie

Vapor motriz de alta presión entra el eyector a través de la tobera de entrada y

es distribuido. Esto genera una zona de baja presión la cual arrastra aire del

condensador de superficie.

En un tipo similar de aplicación, el vapor también es el fluido motriz primario

para los drenadores de presión secundaria, los cuales son usados para

bombear el condensado de tanques receptores ventilados, tanques de flasheo,

o equipos de vapor que experimentan condiciones de Stall (inundación).

II.2.4.1. Vapor para Atomización

La atomización de vapor es un proceso en donde el vapor es usado para

separar mecánicamente un fluido. Por ejemplo, en algunos quemadores, el

vapor es inyectado en el combustible para maximizar la eficiencia de

combustión y minimizar la producción de hidrocarbonos (hollín). Calderas y

generadores de vapor que utilizan combustible de petróleo utilizaran este

método para romper el aceite viscoso en pequeñas gotas para permitir una

combustión más eficiente. También los quemadores (elevados) comúnmente

utilizaran la atomización de vapor para reducir los contaminantes a la salida

2.2.4.2 Quemador Asistido por Vapor

En quemadores, generalmente el vapor es mezclado en el gas de desperdicio

antes de la combustión.

2.2.4.3 Vapor para Limpieza

El vapor es usado para limpiar un gran rango de superficies. Un ejemplo de la

industria es el uso del vapor en los sopladores de hollín. Las calderas que usan

carbón o petróleo como fuente de combustible deben estar equipadas con

sopladores de hollín para una limpieza cíclica de las paredes del horno y

remover los depósitos de la combustión de las superficies de convención para

mantener la eficiencia, capacidad y confiabilidad de la caldera.

Limpieza de la Tubería de la Caldera con los Sopladores de hollín

El vapor liberado fuera de la tobera del soplador de hollín desaloja la ceniza y

suciedad seca, la cual caerá en las tolvas o será arrastrado y expulsado con los

gases de combustión.

2.2.4.4 Vapor para Hidratación

Algunas veces el vapor es usado para hidratar el proceso mientras se

suministra calor al mismo tiempo. Por ejemplo, el vapor es utilizado para la

hidratación en la producción del papel, así que ese papel que se mueve en los

rollos a gran velocidad no sufra rupturas microscópicas. Otro ejemplo son los

molinos de bolitas. Continuamente los molinos que producen las bolitas de

alimento para animales utilizan inyección-directa de vapor tanto para calentar

como para proporcionar contenido de agua adicional al que es suministrado en

la sección de acondicionamiento del molino.

2.2.4.5 Molino Acondicionador de Bolitas

La hidratación del alimento lo suaviza y gelatiniza parcialmente el almidón

contenido en los ingredientes, resultando en bolitas más firmes.

2.2.4.6 Vapor para Humidificación

Muchas grandes instalaciones industriales y comerciales, especialmente en

climas más fríos, utilizan vapor saturado a baja presión como la fuente de calor

predominante para calentamiento interior estacional. Las bobinas HVAC,

normalmente combinadas con humidificadores de vapor, son el equipo usado

para el acondicionamiento del aire, para confort interno, preservación de

registros y libros, y de control de infecciones. Cuando se calienta el aire frío por

las bobinas de vapor, la humedad relativa del aire gotea, y entonces deberá ser

ajustada a los niveles normales en adiciona una inyección controlada de vapor

seco saturado en la línea inferior del flujo de aire.

2.2.4.7 Humidificador de Vapor en Ductos de Aire

El vapor usado para humidificar el aire dentro de un conducto de aire antes de

ser distribuido hacia otras áreas de un edificio.

III. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

www.tlv.com/global/LA/steam-theory/principal-applications-for-

steam.html#toc_9

slideshare.net/GRESIQ/vapor-de-agua.PPT

www.tlv.com/global/LA/steam-theory/types-of-steam.html