¿Cómo se Genera el Vapor Industrial? Calor Sensible, Calor Latente y Calidad del Vapor

En el primer artículo de la Biblioteca de Vapor vimos qué es una caldera industrial, cuáles son sus partes y por qué la eficiencia depende de todo el sistema. Ahora entramos a la caldera para responder una pregunta más precisa: ¿qué le ocurre al agua para convertirse en vapor y cuánta energía se necesita para lograrlo?

La respuesta tiene consecuencias muy prácticas. Explica por qué el vapor es un medio tan eficaz para transportar calor, por qué la presión de operación no es un dato arbitrario y por qué un vapor con gotas de agua entrega menos energía de la que parece.

Cuando se calienta agua a presión constante, el proceso pasa por etapas bien definidas:

1. Calentamiento del agua (calor sensible). El agua absorbe energía y su temperatura sube hasta alcanzar la temperatura de saturación, el punto en que empieza a hervir a esa presión.
2. Evaporación (calor latente). El agua sigue recibiendo energía, pero su temperatura ya no sube: toda esa energía se utiliza para convertirla en vapor. Mientras coexistan agua y vapor, la temperatura permanece constante.
3. Sobrecalentamiento (solo en algunas aplicaciones). Si al vapor ya formado se le sigue agregando calor en un sobrecalentador, fuera del contacto con el agua, su temperatura vuelve a subir.

La gráfica muestra algo que suele sorprender. A presión atmosférica, calentar 1 kg (2,2 lb) de agua de 20 °C a 100 °C (68 °F a 212 °F) requiere unos 335 kJ/kg (144 BTU/lb); evaporarla por completo requiere otros 2.257 kJ/kg (970 BTU/lb), casi siete veces más. La mayor parte de la energía del vapor está en su calor latente.

El calor sensible es la energía que eleva la temperatura del agua sin cambiar su estado. Se llama así porque puede medirse con un termómetro. El agua líquida necesita aproximadamente 4,19 kJ por kilogramo para aumentar su temperatura un grado Celsius (1 BTU por libra por grado Fahrenheit).

En una caldera, el calor sensible se invierte en llevar el agua de alimentación hasta la temperatura de saturación. Por eso importa la temperatura a la que entra el agua: cuanto más caliente llega, gracias al retorno de condensado o a un economizador, menos combustible se necesita en esta etapa. Ambos temas tendrán su propio artículo en esta biblioteca.

El calor latente es la energía necesaria para cambiar de estado, de agua líquida a vapor, sin que cambie la temperatura. Esa energía queda almacenada en el vapor.

Lo decisivo para una planta es que el proceso es reversible. Cuando el vapor llega a un intercambiador, una marmita, un autoclave o una secadora, se condensa sobre la superficie más fría y devuelve su calor latente a temperatura constante. De ahí sus ventajas como medio de calentamiento:

• Mucha energía por kilogramo (libra): una cantidad relativamente pequeña de vapor transporta una gran cantidad de calor.
• Temperatura estable y controlable: el calor se entrega a la temperatura de saturación, que se regula mediante la presión.
• Transferencia de calor intensa: la condensación transfiere calor de forma muy eficaz a las superficies de intercambio.

Una vez condensado, el condensado todavía conserva calor sensible. Aprovecharlo es el tema central del artículo sobre retorno de condensado.

El agua no hierve siempre a 100 °C (212 °F): esa es su temperatura de ebullición a presión atmosférica al nivel del mar. Al aumentar la presión, aumenta también la temperatura a la que hierve. A cada presión le corresponde una única temperatura de saturación, y el vapor en equilibrio con el agua a esa presión se llama vapor saturado.

La tabla siguiente muestra valores de referencia para presiones de operación habituales en la industria:

De la tabla se desprenden tres conclusiones prácticas:

1. A mayor presión, mayor temperatura. Si un proceso necesita una superficie de calentamiento a unos 150 °C (302 °F), el vapor debe llegar al equipo a unos 4 bar g (58 psig), cuya temperatura de saturación ronda los 152 °C (306 °F). La presión de operación se define a partir de la temperatura que requiere el proceso.
2. A mayor presión, menor calor latente. A 10 bar g (145 psig), cada kilogramo de vapor entrega unos 1.999 kJ (860 BTU/lb) al condensarse, frente a 2.257 kJ (970 BTU/lb) a presión atmosférica. Generar a una presión mayor que la necesaria no aporta más calor útil por kilogramo, y la caldera y las tuberías trabajan a mayor temperatura, con más pérdidas térmicas.
3. A mayor presión, menor volumen. A 10 bar g (145 psig), el vapor ocupa unas nueve veces menos espacio que a presión atmosférica: 0,177 frente a 1,673 m³/kg (2,84 frente a 26,8 ft³/lb). Por eso es habitual generar y distribuir a una presión más alta, con tuberías de menor diámetro, y reducirla cerca del punto de consumo.

Un detalle para Costa Rica: los manómetros miden la presión relativa a la atmósfera local, mientras que las tablas de vapor suelen construirse con la presión atmosférica al nivel del mar. En el Valle Central, por encima de los 1.000 m (3.280 ft) de altitud, la presión atmosférica es menor; en San José, a unos 1.150 m (3.770 ft), el agua hierve alrededor de 96 °C (205 °F). En la mayoría de los cálculos industriales la diferencia es pequeña, pero conviene tenerla presente cuando se verifican temperaturas de proceso con precisión.

Vapor saturado seco

Es vapor a la temperatura de saturación, sin gotas de agua. Es el vapor ideal para la mayoría de los procesos de calentamiento, porque entrega todo su calor latente a temperatura estable.

Vapor húmedo

Es vapor saturado que arrastra gotas de agua. Tiene la misma temperatura que el vapor seco a esa presión, pero transporta menos energía por kilogramo. En la práctica es el caso más frecuente, y su contenido de agua es lo que mide la calidad del vapor.

Vapor sobrecalentado

Es vapor calentado por encima de su temperatura de saturación. No contiene agua, pero en los intercambiadores cede su energía con menos eficacia: primero debe enfriarse hasta la saturación antes de condensarse. Se utiliza sobre todo en turbinas y en aplicaciones específicas; para el calentamiento de procesos, la opción habitual es el vapor saturado.

La calidad del vapor se expresa mediante la fracción de sequedad (x): la proporción, en masa, de vapor dentro de la mezcla de vapor y agua. Un vapor con x = 0,95 contiene 95 % de vapor y 5 % de agua líquida.

Ese 5 % de agua no aporta calor latente. A 7 bar g (102 psig), cada kilogramo de vapor seco entrega unos 2.047 kJ (880 BTU/lb) al condensarse; con x = 0,95 entrega unos 1.945 kJ (836 BTU/lb), alrededor de 5 % menos. Para entregar el mismo calor, el proceso necesita más kilogramos de vapor, y el agua arrastrada debe drenarse de la red.

La energía no es el único problema. El vapor húmedo también:

• Forma una película de agua sobre las superficies de intercambio que dificulta la transferencia de calor y alarga los tiempos de proceso.
• Provoca erosión en válvulas, tuberías y accesorios.
• Favorece los golpes de ariete cuando el agua se acumula en la red.
• Puede comprometer procesos críticos: en esterilización, la humedad afecta la penetración del vapor y puede dejar cargas mojadas.

Por eso algunas aplicaciones fijan límites explícitos. La norma europea EN 285, aplicable a los esterilizadores de vapor grandes, exige que el vapor de suministro tenga un valor de sequedad no inferior a 0,95.

Ninguna caldera entrega vapor perfectamente seco, pero una caldera bien operada entrega vapor de buena calidad. Las causas más comunes del exceso de humedad son:

• Arrastre de agua. Un nivel de agua demasiado alto o un pico brusco de demanda hacen que el agua salga junto con el vapor. Cuando la demanda sube de golpe, la presión cae, el agua hierve con violencia y su nivel se eleva.
• Espumación. Una concentración alta de sólidos disueltos en el agua de la caldera, o la presencia de contaminantes, genera espuma que el vapor arrastra. Se controla con tratamiento de agua y un régimen de purgas adecuado.
• Operación por debajo de la presión de diseño. A menor presión, el vapor ocupa más volumen y sale de la caldera a mayor velocidad, lo que favorece el arrastre de gotas.
• Condensación en la red. Las tuberías mal aisladas o sin drenajes adecuados condensan vapor en el camino, y ese condensado viaja con el vapor si no se separa y se drena.

Estos conceptos se traducen en preguntas concretas:

• ¿La presión de operación responde a la temperatura que necesita el proceso, o se fijó por costumbre?
• ¿El nivel de agua de la caldera se mantiene estable ante los cambios de demanda?
• ¿Hay picos bruscos de consumo que provocan caídas de presión?
• ¿El tratamiento de agua y las purgas mantienen los sólidos disueltos dentro de los límites que indica el fabricante?
• ¿La red cuenta con separadores de humedad, trampas de vapor y aislamiento en buen estado?
• ¿Los procesos críticos, como la esterilización, cuentan con verificaciones periódicas de la calidad del vapor?

Ya sabemos qué ocurre con el agua dentro de la caldera. En el próximo artículo de la Biblioteca de Vapor SETEC compararemos las dos grandes familias de calderas, pirotubulares y acuotubulares: cómo se diferencian en su diseño y qué implica cada una para su proceso.

Si aún no lo ha leído, le recomendamos comenzar por el primer artículo: Calderas industriales: qué son, cómo funcionan y por qué son clave para la eficiencia de una planta.

SETEC, empresa costarricense fundada en 1954 y especializada en sistemas de vapor y agua caliente, puede ayudarle a revisar las condiciones de generación y distribución de vapor de su planta: la presión de operación, el tratamiento de agua y los puntos donde se pierden calidad o energía.