Vapor De Agua

3.- Resumen

Cuando se habla del vapor de agua, nos referimos a un gas que se obtiene por evaporación o ebullición del agua líquida o por sublimación del hielo. Es inodoro e incoloro.

Cuando al agua se le comunica energía calorífica, varia su entalpia y su estado físico. A medida que tiene lugar el calentamiento, la temperatura del fluido aumenta y por lo regular su densidad disminuye. La rapidez de la vaporización depende de la velocidad con la cual se transmite el calor al agua y de su movimiento en el recipiente en donde está confinado. El vapor así formado, si bien se halla en el estado gaseoso, no sigue enteramente las leyes de los gases perfectos. La temperatura a la cual se produce la ebullición depende de la pureza del agua y de la presión absoluta ejercida sobre ella. Para el agua pura la temperatura de ebullición tiene un valor determinado para cada presión y es menor a bajas presiones.

Esta se produce con unas condiciones termodinámicas constantes, las cuales son temperatura y presión constante. Esto se da en un dispositivo llamado caldera la cual puede tener características ignitubulares o pirotubulares lo cual dice por donde va a pasar los gases calientes de la combustión. Esta máquina térmica solo genera vapor saturado seco ya que de lo contrario el vapor generado tendría una presión superior al de la entrada de la caldera y se devolvería.

Sus aplicaciones principales pueden ser a groso modo divididas en aplicaciones de calentamiento, humidificación y en aplicaciones de impulso motrices.

3.1.- Hipótesis

En realidad el vapor es un servicio auxiliar básico y sumamente importante en distintos procesos y para la realización de diferentes trabajos.

4.- Introducción

El vapor se refiere a la materia en estado gaseoso. Aunque este no se limita al vapor generado por agua, el término ‘vapor’ es más comúnmente usado para referirse al estado gaseoso del agua. A un nivel molecular esto es cuando las moléculas de H2O logran liberarse de las uniones que las mantienen juntas.

El vapor jugó un papel importante en la revolución industrial. La modernización del motor de vapor a principios del siglo 18 llevo a mayores descubrimientos tales como la invención de la locomotora de vapor y el barco a vapor, por no mencionar el horno y el martillo de vapor.

Hoy en día, sin embargo, los motores de combustión interna y la electricidad prácticamente han remplazado al vapor como fuente de energía. Sin embargo, el vapor es ampliamente usado en las plantas de generación eléctrica y para aplicaciones industriales de gran tamaño.

El vapor de agua es un servicio muy común en la industria, que se utiliza para proporcionar energía térmica a los procesos de transformación de materiales a productos, por lo que la eficiencia del sistema para generarlo, la distribución adecuada y el control de su consumo, tendrán un gran impacto en la eficiencia total de la planta. Esta situación se refleja en los costos de producción del vapor y, en consecuencia, en la competitividad y sustentabilidad de la empresa.

5.- Desarrollo

5.1.- Propiedades termodinámicas del vapor de agua.

Las propiedades termodinámicas son características que se pueden observar, medir o cuantificar en las sustancias. La cantidad y tipo de propiedades que se puedan establecer para un sistema dependen del tipo de observación que se halla establecido para el análisis del sistema. Dentro de lo que son los fluidos termodinámicos de importancia a estudiar, sin duda el agua y el vapor de agua es uno de los esenciales. El agua es un excelente fluido desde el punto de vista de que es abundante, no tóxico, barato y además transporta importantes cantidades de energía si hay cambio de fase. Debemos distinguir varias zonas de importancia para el estudio termodinámico de las propiedades del agua.

Estas son:

▪ Zona del Sólido: es la zona que corresponde a las propiedades del líquido.

▪ Zona del líquido: incluye la interface sólido líquido. Hablaremos un poco de estos cambios de fase.

▪ Zona de vapor: estudio elemental de la campana de cambio de fase y zona de vapor sobrecalentado.

▪ Zona de gas: es la zona en que estamos sobre la temperatura crítica.

El conocimiento y la evaluación de dichas propiedades termodinámicas del vapor de agua en sus distintos estados es de suma importancia para la resolución de problemas que se nos puedan presentar al tener un proceso en el cual el vapor de agua interviene. De todas sus propiedades una de las más importantes es la entalpía, ya que la presión constante es sumamente importante en la mayoría de los procesos.

Para poder evaluarla es preciso tomar una referencia, asignándose un valor de entalpía igual a cero, es decir, a 0,001 °C.

La alta dependencia de los fluidos condensables en general y así como de los vapores en particular para su utilización industrial, tanto en procesos de calentamiento como de refrigeración, hacen aconsejable el estudio termodinámico de los mismos, en este caso el del vapor de agua.

5.2.- Tipos de vapor usados en planta.

Seco y saturado

El vapor es usado extensamente en el sector industrial y comercial, principalmente en el calentamiento de procesos, en la generación de potencia y en la calefacción de espacios.

El vapor se obtiene a partir del agua, la cual está disponible y es barata; es limpio, inodoro, insípido y estéril; es de fácil distribución y control; cuando se condensa, da un calor a temperatura constante; tiene un alto contenido energético; puede usarse para generar potencia y proporcionar calefacción.

El vapor se puede producir en cualquiera de las tres condiciones siguientes: Vapor húmedo, Vapor saturado seco, Vapor recalentado.

Vapor seco

Llamado también Vapor saturado seco, es un vapor que ha sido evaporado completamente, es decir, no contiene gotas de agua líquida. En la práctica, el vapor a menudo arranca pequeñas gotas de agua, con lo que ya no puede ser descrito como vapor saturado seco. Sin embargo es importante que el vapor utilizado para procesos o calefacción sea lo más seco posible por eso se utiliza separadores y trampas de vapor. La calidad del vapor se describe mediante su fracción seca, que es la proporción de vapor completamente seco presente en el vapor considerado.

Este vapor es el ideal para las aplicaciones de proceso y calefacción

Vapor saturado

El "vapor saturado" es vapor a la temperatura de ebullición del líquido. Es el vapor que se desprende cuando el líquido hierve. Se obtiene en calderas de vapor.

Este se utiliza en multitud de procesos industriales difícil de señalar de un vistazo, pues interviene en procesos físicos, químicos, etc. en la obtención de múltiples elementos. También es el método más efectivo y de menor costo para esterilizar la mayoría de los objetos de uso hospitalario, mediante autoclaves. Se utiliza el vapor saturado a presión atmosférica en la hidrodestilación, que son procesos donde por ejemplo se obtiene el aceite esencial de una planta aromática. En labores de limpieza con vapor. En la pasteurización de alimentos y bebidas, en sistemas de calefacción central urbana, etc.

Húmedo y recalentado

Vapor húmedo

Llamado también Vapor sobresaturado, es un vapor que contiene agua condensada, casi siempre en forma de pequeñas gotas (niebla). Estas gotas de agua no transportan entalpía específica de evaporación, hay una reducción en relación con la entalpía específica del vapor a una presión determinada. El volumen del vapor húmedo es, por tanto, menor que el del vapor saturado seco. Son las gotas de agua en suspensión las que hacen visible al vapor. El vapor como tal es un gas transparente pero las gotas de agua le dan un aspecto blanquecino al reflejar la luz.

Vapor recalentado

Si la transferencia de calor continúa después que se ha evaporado toda el agua, la temperatura del vapor seguirá aumentando y se denomina vapor recalentado entendiendo como tal, al vapor que se encuentra a cualquier temperatura por encima de la del vapor saturado a la presión correspondiente.

La zona de vapor recalentado representa el vapor a una temperatura superior a su temperatura de saturación. Si se calienta el vapor saturado a una presión constante, se producirá vapor recalentado.

El "vapor sobrecalentado" es vapor de agua a una temperatura mayor que la del punto de ebullición. Parte del vapor saturado y se le somete a un recalentamiento con el que alcanza mayor temperatura. También se obtiene en las calderas de vapor pero que tienen secciones de recalentamiento para el vapor haciendo pasar el vapor que se obtiene en la ebullición por tubos expuestos a los gases calientes del proceso de combustión.

Se utiliza para mover maquinas (de pistones y turbinas). Aunque también se ha usado el vapor saturado, el sobrecalentado tiene ventaja. Así que se usa en locomotoras de vapor (con muy pequeño grado de recalentamiento), accionamiento de barcos, generación eléctrica en centrales termoeléctricas tanto convencionales como nucleares, centrales geotérmicas, en las centrales llamadas ciclos combinados. También se utiliza en variados procesos industriales como por ejemplo el de secado de la madera, destilación, obtención del coke, etc.

Tabla 1.1.- Tabla de Vapor

5.3.- Calderas de vapor

Las Calderas o Generadores

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