En muchos números de Info-Tec se ha hablado de los elementos utilizados en los sistemas de vapor como válvulas, reguladores, trampas, controles, etc. Este Info-Tec tratará sobre el vapor en sí mismo. Entender el vapor, por qué y cómo funciona, nos ayudará a comprender los dispositivos utilizados para controlar el vapor.

¿Qué es el vapor?

El vapor es agua en estado gaseoso. Hay que añadir suficiente calor al agua para elevar la temperatura del agua líquida hasta su punto de ebullición, y luego se añade más calor para provocar un cambio de estado a vapor sin que aumente la temperatura.

La cantidad de calor necesaria para elevar el agua hasta la temperatura de ebullición se llama calor sensible. La cantidad de calor requerida para cambiar el agua a vapor se llama calor latente de vaporización. El calor latente de vaporización es exactamente el mismo que el «calor latente de condensación». Este es el principio que utilizan los sistemas de vapor. Como veremos, este calor latente es la razón principal por la que el vapor se utiliza como medio de transferencia de energía térmica.

Para ilustrar el calor sensible y latente, debemos recordar la definición de una BTU (Unidad Térmica Británica), una medida de una cantidad de calor. Una BTU se define como la cantidad de calor necesaria para elevar una libra de agua un grado Fahrenheit.

El calor sensible es el que se puede percibir fácilmente. Se puede sentir, incluso «ver» utilizando un termómetro. El calor latente es el que está «ahí» pero no es fácilmente perceptible.

Un sencillo experimento demuestra el calor sensible y latente.

La figura 1 muestra un vaso de cristal que contiene una libra de agua. Se puede introducir un termómetro en el agua. El termómetro muestra que el agua está a una temperatura ambiente de 70°F. El vaso de agua se coloca sobre un quemador y éste se enciende. El quemador eleva la temperatura de la libra de agua a 212 °F. Esto requiere 142 BTU. 212 – 70 = 142. (Recuerde la definición de BTU.)

Figura 1.

Estos 142 BTU son calor sensible. Podemos «ver» el calor añadido al agua por el quemador como lo demuestra el termómetro. Podríamos meter la mano en el agua y «sentir» el calor que se ha añadido; «sentirlo». (No es aconsejable.)

La adición continua de calor hará que el agua hierva, ¡pero el termómetro no subirá más! A presión atmosférica, ¡se mantendrá a 212 °F! ¿Cómo puede ser esto? El quemador sigue encendido. Podemos ver que se sigue añadiendo calor al agua. ¿A dónde va todo este calor adicional?

Va a causar un cambio de estado. El agua se convierte en vapor. Este cambio de estado requiere una gran cantidad de calor, mucho más calor que el necesario para elevar la temperatura del agua de 70 °F a 212 °F. Se necesitan 970 BTU adicionales para cambiar una libra de agua en una libra de vapor a la presión atmosférica!

No podemos «ver» este calor. No podemos «sentir» este calor, pero está ahí. Es calor «latente», calor oculto. El término exacto es «calor latente de vaporización».

El calor latente de vaporización es exactamente lo mismo que el calor latente de condensación. Es decir, si condensamos la libra de vapor a 212 °F de nuevo en una libra de agua a 212 °F, debemos extraer 970 BTU del vapor. Esta es la razón por la que el vapor es tan utilizado. La libra de vapor que contiene una gran cantidad de energía térmica puede ser rápida y fácilmente transportada por un sistema de distribución a lugares remotos donde la energía puede ser recuperada y puesta a trabajar útilmente.

La temperatura de ebullición del agua no es constante. La variación de la presión del agua puede modificar su punto de ebullición. Esto requiere un sistema cerrado para poder controlar la presión. El agua puede entonces hervir a 50°F, hasta digamos 500°F tan fácilmente como a 212°F. Lo único necesario es cambiar la presión sobre el agua a una que corresponda al punto de ebullición deseado.

Como ejemplo, si la presión en una caldera se eleva a 52 psig. (67 psia.), el agua hervirá a 300 °F. Por el contrario, si la presión se reduce a un vacío de 29,6 pulgadas de mercurio, el agua hervirá a 40 °F.

El cambio del punto de ebullición del agua al variar la presión provoca otros cambios en las propiedades físicas. Bajo presión atmosférica, el calor latente de vaporización era de 970 BTU por libra, pero a 100 psig, es de 889 BTU por libra.

Se adjuntan tablas de vapor que muestran las propiedades del vapor. La tabla 1 y la tabla 2 son esencialmente las mismas, la diferencia es que la tabla 1 es una tabla de temperatura en la columna 1, la tabla 2 es una tabla de presión en la columna 1. Funcionan bien juntos, ya que las entradas horizontales en la tabla uno llena los huecos en la otra tabla.

Tabla 1.

Tabla 2.

Si el calor latente de vaporización para el vapor a 240°F necesitaba ser conocido, refiriéndose a la Tabla 1, no muestra ninguna línea de 240°F. Las entradas son 212°F o 250°F. Usando la Tabla 2, Columna 2, aparece la entrada 240.07°F. (Esto muestra que el agua a 25 psia. hierve a 240.07°F.) El calor latente aparece como 952.1 BTU’s por libra, Columna 6.

Entalpía

Ninguna discusión sobre el vapor está completa sin mencionar la entalpía. La entalpía es el calor total. La entalpía es una propiedad de las sustancias que es una medida de su contenido de calor. Es conveniente para encontrar la cantidad de calor necesaria para ciertos procesos. En la Tabla 1, el calor total del vapor a presión atmosférica (0 psig. o 14,696 psia) es de 1150,4 BTU por Lb. Este total se compone de dos partes, el calor sensible y el latente. El calor sensible eleva la temperatura del agua de 32°F a 212°F, 180.07 BTU por Lb. (Columna 6). El calor latente de vaporización del agua está a 212°F, 970.3 BTU por Lb. (Columna 7). La suma es de 1150,4 BTU por Lb. (Columna 8). Esta información puede usarse para determinar cuánto calor se necesitaría para transformar el agua en vapor a cualquier temperatura y presión. Por ejemplo, ¿qué cantidad de calor se requiere para cambiar agua a 70°F a vapor a 250°F? De la Tabla 1, línea 250°F, Columna 8, la entalpía del vapor es 1164 BTU por Lb. De la columna 6, línea 70°F, la entalpía del agua es 38.04 BTU por Lb. 1164 representa el contenido de calor total del vapor, y 38.04 el contenido de calor del agua a 70°F. La diferencia, 1164 – 38,04, o 1125,96 BTU por Lb. es la cantidad de calor que debe añadirse al agua a 70°F para convertirla en vapor a 250°F.

Vapor sobrecalentado

Hay que hacer alguna mención al vapor sobrecalentado.

Es imposible sobrecalentar el vapor en presencia de agua porque todo el calor suministrado sólo evaporará el agua. Como vimos en la figura 1, la temperatura del agua permanecerá constante hasta que toda el agua haya hervido. El vapor a la misma temperatura que el agua en ebullición es vapor «saturado». El vapor sobrecalentado es un vapor a una temperatura superior a la del agua en ebullición bajo la misma presión. El vapor sobrecalentado se utiliza principalmente en la generación de energía. Las turbinas son más eficientes, requieren menos mantenimiento y duran más tiempo funcionando con vapor sobrecalentado. Por lo general, en la calefacción industrial comercial y en el trabajo de proceso, trataremos con vapor saturado.

(Un interesante aparte en relación con el aire acondicionado es el hecho de que toda la humedad del aire atmosférico existe como vapor sobrecalentado a muy baja presión. La carga de calor latente del descalentamiento de este vapor puede suponer más del 50% de la carga de un acondicionador de aire. Al enfriar una mezcla de aire y vapor sobrecalentado, el vapor se descalienta hasta alcanzar un punto en el que se condensa en agua. Este punto se denomina «punto de rocío». En realidad, es la temperatura de condensación del vapor a baja presión.)

El uso del vapor está muy extendido. Casi todas las plantas tendrán una o más unidades de vapor en funcionamiento. La figura 2 ilustra algunos de los usos en una planta típica.

Figura 2.

El vapor generado en una caldera puede transferirse a lugares remotos a través de sistemas de tuberías para realizar muchas tareas útiles. La mayor presión de la caldera empuja el vapor hacia donde se necesita, y aunque se producen algunas pérdidas en cualquier sistema de distribución, un sistema cuidadosamente diseñado y aislado minimizará este desperdicio y entregará el vapor donde se pretende calentar. Aquí el mismo calor latente de vaporización se convierte ahora en el calor latente de condensación que se utiliza para calentar el aire, el agua, los recipientes para cocinar alimentos, etc.