Ecuaciones para cuantificar la calidad del vapor industrial en plantas de alimentación

Cuantificar la calidad de vapor industrial, debe ser una acción recurrente en una planta, ya que de ello depende poder mantener la vida útil de los equipos y proporcionar productos finales de calidad. En términos generales se define la calidad del vapor como una medida de la cantidad de vapor saturado que coexiste con su condensado en un sistema dado.

Los generadores de vapor permiten el procesamiento eficiente de alimentos, por lo que cuantificar la calidad del vapor en los sistemas de las industrias alimentarias tiene gran importancia para minimizar los daños que causa la humedad en las maquinarias.

Este artículo estará centrado en conocer los beneficios y las ecuaciones para cuantificar la calidad del vapor industrial. A pesar de ser difícil eliminar el arrastre líquido en el condensado, sí que es posible medir este porcentaje de líquido para evitar los daños irreversibles dentro del sistema y sus componentes.

Del mismo modo, el condensado de alta velocidad puede causar otros problemas relacionados con la erosión y la corrosión. Entonces una forma de lograr la optimización y control de costes de energía en sistemas de vapor industrial es cuantificar la calidad del vapor industrial.

Beneficios de cuantificar la calidad del vapor industrial

• Aumento de la eficiencia de transferencia de calor:

El principal problema con la baja calidad del vapor es el efecto sobre la transferencia de calor en equipos y procesos. En algunos casos, la baja calidad del vapor puede reducir la transferencia de calor con eficiencias de no más del 65%. Por lo tanto, disponemos de menos energía utilizable.

Cuantificar la calidad del vapor industrial permite reducir la acumulaciónn de llíquido en el intercambiador de calor lo que indica una mayor capacidad de energía latente del vapor para ser transferida al producto.

• Previene las fallas prematuras en las válvulas:

Cuantificar la calidad del vapor permite reducir el paso de líquido a través de las válvulas de control de vapor, consiguiendo menos erosión en las partes internas de las mismas previniendo fallas prematuras.

• Previene fallas en los componentes internos de la turbina:

Cuantificar la cantidad del vapor industrial y líquido permite conocer la cantidad de líquido que se introduce con el vapor en una operación, por tanto, entrega información sobre cuánto disminuirlo para ayudar a mantener la vida útil de los componentes internos.

• Reduce los problemas de golpe de ariete:

Debido a que los sistemas de vapor generalmente no están diseñados para acomodar el líquido adicional en vapor Líquido se crea la posibilidad de que ocurran golpes de ariete, por lo que cuantificar la calidad del vapor industrial permite tomar acciones para reducir la posibilidad de que ocurran las fallas por golpe de ariete.

Ecuaciones para cuantificar la calidad del vapor industrial en el sistema

Como primera ecuación para hallar la cantidad de vapor saturado con su condensado, se hará dividiendo la masa de vapor por la masa total de vapor y condensado.

Donde:

Msteam= Masa de vapor dentro del sistema.

Mcond= Masa de vapor que coexiste en el condenado.

Una vez conocida la ecuación general, partiremos a calcular la calidad del vapor con un calorímetro de estrangulamiento. Aclarando que una pequeña cantidad de vapor se estrangula a través de un orificio desde la presión del sistema (PS) hasta la presión atmosférica.

La Temperatura del vapor en la salida del orificio (TE) se registra. Esta expansión es adiabática. Por lo que la siguiente expresión describe el balance de energía asociado con el proceso de estrangulamiento:

HM= HL (1-X) + HGX   (Ecuación 2)

Reorganizando la ecuación 2 se puede hallar x= Calidad del Vapor, quedando de la siguiente forma:

X=

Dónde:

• HM = Entalpía de vapor sobrecalentado a la temperatura.
• TE = Temperatura de salida a la presión atmosférica.
• HL y HG = Entalpía de condensado y vapor, respectivamente, a la presión del sistema PS.
• X= Calidad del vapor

Para calcular la calidad del vapor con los datos termodinámicos se debe realizar a través de las tablas de ASME Steam Tables, en las cuales se muestra un diagrama (Enthalpy – Entropy Chart), de TE (Temperatura de salida a la presión atmosférica) en la abscisa y calidad del vapor (X) en la ordenada.

También se muestra en el diagrama una serie de isobaras para PS (Presión del Sistema) en el rango de 50 a 1500 psi. Este diagrama proporciona una estimación rápida de la calidad del vapor cuando se conocen TE y PS, bien sea de forma directa, interpolando o extrapolando.

Acción que aplica para una tercera ecuación que nos permite hallar la calidad del vapor a presiones que varían de 2 bares (29 psi) a 200 bares (2900 psi) y se expresa de la siguiente manera:

X = A + B(TE) (ecuación 3)

Con esta fórmula se describe la calidad del vapor a cada presión, PS en función de TE. Cada conjunto de coeficientes A y B (términos constantes de vapor en función de la temperatura ver en la tabla 1) es válido para una sola presión. Los coeficientes para las presiones no incluidas en la lista deben ser interpolados. La resolución de las ecuaciones 2a y 3 requiere que el usuario busque los datos antes prescritos.

Tabla 1. Constante dieléctrica de vapor en función de la presión y la temperatura

Así mismo una cuarta ecuación que permite cuantificar la calidad del vapor industrial cuando si se conocen la presión y la temperatura del calorímetro. Es válido para la calidad del vapor entre 0.95 y 1.00 y para presiones entre 30 psi y 600 psi, quedando de la siguiente forma:

X = 0.9959 – 0.000442TE – ln [(PS + 6.8) 0.03218 (PS + 374) -0.0001581TE]

Resolviendo para TE quedando como Ecuación 4a, mediante la cual queda expresada como una única función continua, eliminando así la necesidad de la representación de datos gráficos o la interpolación.

TE = [0.9959 -X – 0.03218 ln (PS + 6.8)] / [0.000442 – 0.001581 ln (PS + 374)]

Al ajustar los datos disponibles en las tablas de vapor ASME, la relación P-T para vapor saturado en el rango de 30 a 600 psi, queda una ecuación 5, la cual se puede expresar de la siguiente manera:

PS = 1.5 + (TS120.62) 4.5886

Resolviendo la temperatura del vapor saturado TS:

TS = 120.62 (PS – 1.5) 0.21793 (Ecuación 5a)

Donde:

TS= Temperatura del sistema.

Otra forma de cuantificar la calidad del vapor industrial es confiar en los principios básicos del vapor saturado. Conociendo que el vapor es un gas seco invisible y solo se vuelve visible con el aire arrastrado o líquido. Por lo tanto, abrir una válvula de vapor y permitir que se libere vapor en la atmósfera proporciona una estimación de la calidad del vapor.

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