Vapor Sobrecalentado
Si el vapor saturado producido en una caldera se expone a una superficie con una temperatura más alta, su temperatura aumentará por encima de la temperatura de evaporación. Luego, el vapor se describe como sobrecalentado por el número de grados de temperatura a través de los cuales se ha calentado por encima de la temperatura de saturación.
No se puede impartir sobrecalentamiento al vapor mientras aún está en presencia de agua, ya que cualquier calor adicional simplemente evapora más agua. El vapor saturado debe pasar a través de un intercambiador de calor adicional. Esta puede ser una segunda etapa de intercambio de calor en la caldera o una unidad de sobrecalentamiento separada. El medio de calentamiento principal puede ser el gas de combustión caliente de la caldera o puede encenderse por separado.
El vapor sobrecalentado tiene sus aplicaciones, por ejemplo, en turbinas donde el vapor es dirigido por boquillas hacia un rotor. Esto hace que el rotor gire. La energía para que esto suceda solo puede provenir del vapor, por lo que lógicamente el vapor tiene menos energía después de haber pasado por el rotor de la turbina. Si el vapor estuviera a la temperatura de saturación, esta pérdida de energía haría que parte del vapor se condensara.
Las turbinas tienen varias etapas; el vapor de escape del primer rotor se dirigirá a un segundo rotor en el mismo eje. Esto significa que el vapor saturado se humedecería más y más a medida que pasara por las etapas sucesivas. Esto no solo promovería el golpe de ariete, sino que las partículas de agua causarían una erosión severa dentro de la turbina. La solución es suministrar a la turbina vapor sobrecalentado en la entrada y usar la energía en la parte sobrecalentada para impulsar el rotor hasta que las condiciones de temperatura/presión estén cerca de la saturación; y luego agotar el vapor.
Las tablas de vapor sobrecalentado muestran las propiedades del vapor a varias presiones de la misma manera que las tablas de vapor saturado. Sin embargo, con vapor sobrecalentado no existe una relación directa entre la temperatura y la presión. Por lo tanto, a una presión particular, es posible que exista vapor sobrecalentado en un amplio rango de temperaturas.
En general, las tablas de vapor saturado dan presión manométrica, las tablas de vapor sobrecalentado dan presión absoluta.
¿Se puede usar vapor sobrecalentado en intercambiadores de calor de proceso y otros procesos de calentamiento?
Aunque no es el medio ideal para transferir calor, el vapor sobrecalentado se utiliza a veces para calentar procesos en muchas plantas de vapor de todo el mundo, especialmente en las Industrias de procesamiento de hidrocarburos que producen petróleo y productos petroquímicos. Es más probable que esto se deba a que el vapor sobrecalentado ya está disponible en el sitio para la generación de energía, siendo la fuente de energía preferida para las turbinas, en lugar de que tenga alguna ventaja sobre el vapor saturado para propósitos de calefacción. Para ser claros en este punto, en la mayoría de los casos, se debe utilizar vapor saturado para procesos de transferencia de calor, incluso si eso significa atemperar el vapor para hacerlo.
Existen varias razones por las que el vapor sobrecalentado no es tan adecuado para el calentamiento de procesos como el vapor saturado:
El vapor sobrecalentado tiene que enfriarse hasta la temperatura de saturación antes de que pueda condensarse para liberar su calor latente (entalpía de evaporación). La cantidad de calor cedido por el vapor sobrecalentado a medida que se enfría hasta la temperatura de saturación es relativamente pequeña en comparación con su entalpía de evaporación.
Si el vapor tiene solo unos pocos grados de sobrecalentamiento, esta pequeña cantidad de calor se pierde rápidamente antes de que se condense. Sin embargo, si el vapor tiene un alto grado de sobrecalentamiento, puede llevar un tiempo relativamente largo enfriarse, tiempo durante el cual el vapor libera muy poca energía.
A diferencia del vapor saturado, la temperatura del vapor sobrecalentado no es uniforme. El vapor sobrecalentado tiene que enfriarse para ceder calor, mientras que el vapor saturado cambia de fase. Esto significa que pueden ocurrir gradientes de temperatura sobre la superficie de transferencia de calor con vapor sobrecalentado.
En un intercambiador de calor, el uso de vapor sobrecalentado puede conducir a la formación de una zona de ebullición de pared seca, cerca de la placa de tubos. Esta área de la pared seca puede escalarse o ensuciarse rápidamente, y la alta temperatura resultante de la pared del tubo puede provocar fallas en el tubo.
Esto muestra claramente que, en aplicaciones de transferencia de calor, el vapor con un alto grado de sobrecalentamiento es de poca utilidad porque:
• Cede poco calor hasta que se ha enfriado a temperatura de saturación.
• Crea gradientes de temperatura sobre la superficie de transferencia de calor a medida que se enfría hasta la temperatura de saturación.
• Proporciona tasas más bajas de transferencia de calor mientras el vapor se sobrecalienta.
• Requiere mayores áreas de transferencia de calor.
• Por lo tanto, el vapor sobrecalentado no es tan efectivo como el vapor saturado para aplicaciones de transferencia de calor.
