El vapor de agua es vital para realizar transferencia de calor en múltiples procesos industriales, por esta razón, es importante la calidad del vapor. De esta manera, es posible minimizar problemas de funcionamiento que son atribuidos a la poca supervisión de la calidad del vapor de agua en sistemas de vapor industrial.
En este artículo, hablaremos sobre la importancia de la calidad del vapor en los sistemas de vapor industriales, cómo medirlo y el impacto de la calidad del vapor en sistemas industriales.
Calidad del vapor
Cuando se habla de calidad de vapor, se refiere a la proporción de vapor saturado que se encuentra en una mezcla saturada líquido-vapor. Por ejemplo, una calidad de vapor 0 nos indica que el 100% de la mezcla es líquido condensado, mientras que una calidad de 1 nos dice que el 100% de la mezcla es vapor de agua.
Entonces, podemos decir que una libra de vapor con 95% de vapor y 5% de arrastre de líquido presenta una calidad de vapor del 0.95. Para obtener una medición de la calidad de vapor es necesario contar con ciertos parámetros, los cuales son:
- Presión
- Temperatura
- Contenido del líquido arrastrado
La gran mayoría de los sistemas de vapor industriales (más del 88%) utilizan vapor saturado para diferentes aplicaciones de proceso. El vapor saturado es completamente gaseoso y no contiene líquido. El funcionamiento de la caldera se basa en el uso de energía química proveniente de una combustión y aportar dicha energía al agua que se encuentra dentro de la caldera, de esta manera, el agua puede cambiar de estado y convertirse en vapor saturado. Este cambio de estado puede explicarse en la siguiente figura:
- Diagrama de equilibrio líquido vapor del agua
- Figura con el diagrama líquido-vapor del agua
Como podemos ver, el agua entra a la caldera en el punto A, ganando a partir de allí energía sensible (hf) hasta que alcanza el punto B. A partir de dicho punto, el agua va ganando energía procedente de la combustión de la caldera y comienza a cambiar de estado, alcanzando una calidad alta, moviéndose hacia la derecha en la figura hasta alcanzar el punto C de vapor saturado. Si se sigue aportando energía, el vapor va a pasar el punto de sobrecalentamiento D.
Existe una relación proporcional entre la presión y la temperatura del vapor saturado. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la presión. Por lo tanto, se requerirá más energía sensible (hf) para ir del punto A al punto B y pueda obtenerse el vapor saturado. Cuando el vapor entra en el proceso, el nivel de energía va de derecha a izquierda, ya que el mismo proceso absorbe energía del vapor.
El vapor es fundamental en la producción de productos finales en instalaciones de procesos químicos, por lo tanto, la calidad del vapor debe ser uno de los puntos medibles más importantes en plantas que dependen del vapor para obtener sus productos. Los fabricantes de componentes de transferencia de calor, como intercambiadores de calor y elementos de trazado, basan sus cálculos de rendimiento en una calidad de 1 ó 100%, a menos que el fabricante sea informado por parte del usuario final que la calidad el vapor es inferior a 1.
Por lo general, a la calidad del vapor no se le da la debida importancia y es por esta razón, que no es controlada con regularidad, asumiendo que siempre es 1 cuando en realidad no lo sea y esa situación suele traer inconvenientes de operación en los sistemas de vapor industriales, como por ejemplo, las averías frecuentes de componentes de dichos sistemas de vapor. Según diferentes documentaciones de campo, un alto porcentaje de los sistemas de vapor funcionan por debajo de los niveles de calidad de vapor aceptables, lo que explica la alta incidencia de averías en componentes de sistemas de vapor industriales.
Impacto de la calidad de vapor
El principal problema asociado con una baja calidad de vapor es el efecto sobre los equipos que forman parte del sistema de vapor y el proceso en general. Una baja calidad de vapor afecta de varias formas a los sistemas de vapor industriales, entre las principales tenemos las siguientes:
Reducción de la eficiencia de transferencia de calor: Una baja calidad de vapor puede reducir la eficiencia de transferencia de calor en más del 65%. El líquido arrastrado tiene energía sensible que es considerablemente menor que la energía latente del vapor, por lo tanto, se transfiere menos energía utilizable al equipo de vapor del proceso. Además, hay que destacar que el líquido adicional se acumula en la superficie húmeda del intercambiador de calor, creando una acumulación que reduce la capacidad de transferencia de energía latente (calor latente).
Fallo prematuro de válvulas: Al ser la calidad del vapor baja, arrastrará líquido, dicho líquido pasa a través de las válvulas a gran velocidad erosionando sus componentes internos, produciendo fallo prematuro de las válvulas.
Avería de los componentes internos de las turbinas: El líquido arrastrado por el vapor en una operación de turbina saturada reducirá la esperanza de vida de los componentes internos de la turbina.
Golpe de ariete: Los sistemas de vapor, por lo general, no están diseñados para acomodar líquido adicional en el vapor. Por consiguiente, este líquido adicional creará un golpe de ariete que puede traer riesgos a la seguridad de los operarios y ocasionar fallos en el sistema de vapor industrial.
Parte 1
Fuente: Revista Ingeniería Química
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