El vapor de agua es vital para realizar transferencia de calor en múltiples procesos industriales, es por esta razón, que 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.
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| Calidad del vapor en sistemas de vapor. Imagen de processheating |
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. Tabla de contenidos
- ✔Calidad del vapor
- ✔Impacto de la calidad de vapor
- ✔Impacto de la calidad de vapor
- ✔Medición visual de la calidad del vapor
- ✔Calorímetros de vapor
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:
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| 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.
Medición visual de la calidad del vapor
Una medición ideal de la calidad de vapor debe llevarse a cabo mediante el uso de un calorímetro de estrangulamiento y los cálculos de vapor para planta de Ganapathy realizados durante el diseño. Lamentablemente, la mayoría de las plantas industriales no tienen la capacidad de realizar pruebas tan rigurosas para medir la calidad del vapor. Sin embargo, existe otra manera de medir la calidad del vapor basándose en los fundamentos del vapor de agua.
El vapor saturado es un gas seco e invisible, que solamente se hace visible en presencia de aire o líquido arrastrado. Es por ello, que cuando se abre una válvula y se libera vapor a la atmósfera se puede medir visualmente la calidad de vapor en el sistema, siendo esta una prueba rutinaria y obligatoria para medir la calidad del vapor en una planta industrial. Si el vapor es apenas percibido visualmente, estamos ante una calidad del vapor aceptable, como podemos ver en la siguiente imagen:
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| Calidad de vapor aceptable |
En caso contrario, que se aprecie visualmente gran cantidad de vapor, estamos ante una calidad de vapor inaceptable para el proceso (ver imagen).
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| Calidad de vapor inaceptable |
Como podemos notar, es una simple prueba que puede evitar inconvenientes y daños en los equipos que forman parte de los sistemas de vapor industrial y que no lleva apenas tiempo en realizar, por lo que debe ser adoptado como una prueba de rutina en las inspecciones diarias de estos sistemas de vapor.
Calorímetros de vapor
El calorímetro de vapor es el dispositivo de medición utilizado para estimar la humedad del vapor. Actualmente, estos dispositivos son de la modalidad de estrangulamiento. Entre los principales calorímetros de vapor, tenemos:
Calorímetro de estrangulamiento
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| Calorímetro de estrangulamiento |
En este tipo de calorímetro el vapor fluye desde la línea de vapor principal vertical a través de la boquilla de muestreo. El vapor fluye alrededor de la primera copa del termómetro de medición, luego pasa a través de un orificio de 1/8 de pulgada en un disco entre dos bridas, alrededor de la segunda copa del termómetro de medición y luego se libera a la atmósfera.
El instrumento y todas las tuberías y accesorios que conducen al calorímetro de estrangulamiento deben estar completamente aislados para disminuir la pérdida de energía que puede afectar a la medición. El pequeño orificio puede tener problemas con el material corrosivo que fluye a través del dispositivo de medición. Por lo tanto, una filtración adecuada del vapor debe formar parte del sistema de medición. La tubería de vapor de descarga debe ser corta para evitar cualquier contrapresión por debajo de la zona del disco y causar un error en la medición.
Calorímetro de estrangulamiento compacto
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| Calorímetro de estrangulamiento compacto |
Estos calorímetros constan de dos cilindros metálicos concéntricos conectados a una tapa que contiene un pozo termométrico. La presión del vapor se mide mediante un manómetro colocado en la tubería de suministro de vapor o en otro lugar conveniente.
El vapor pasa por el orificio (punto A en la figura) y se expande hasta la presión atmosférica. La temperatura del vapor a esta presión se mide con un termómetro colocado en el vaso (punto C). Para evitar las pérdidas por radiación, el espacio anular entre los dos cilindros se utiliza como camisa aislante, ya que el vapor se está suministrando a este espacio a través del orificio (punto B).
Calorímetro de separación
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| Calorímetro de separación |
Un calorímetro de separación separa mecánicamente el agua arrastrada del vapor y la recoge en un depósito, en el que su cantidad se indica mediante un vidrio de medición o se drena y se pesa. El vapor sale del calorímetro a través de un orificio de tamaño conocido para poder calcular su cantidad total o pesarlo. Este tipo de calorímetro suele llevar un manómetro que indica la presión en su cámara interior y el caudal de vapor durante un período determinado, graduándose esta última escala por ensayo. El instrumento, al igual que el calorímetro de estrangulamiento, debe estar bien aislado para evitar pérdidas por radiación.
Existe otra manera de estimar la calidad del vapor y es utilizando estaciones de reducción de vapor, sobre las cuales, hablaremos en un próximo artículo, aunque podemos adelantar que funcionan utilizando el mismo principio de funcionamiento que los calorímetros de estrangulamiento.
En conclusión, podemos decir que la calidad del vapor es muy importante para poder minimizar fallas y problemas que aparecen en los sistemas de vapor y estimarla es bastante sencillo, incluso si no se cuenta con un calorímetro de estrangulamiento, ya que sólo se requiere una inspección visual del vapor que se está generando en la caldera.
Importancia de la calidad del vapor en los sistemas de vapor industriales by Ing- Bulmaro Noguera is licensed under a Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional License
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