Sistemas de vapor en plantas industriales: Unidades de medición

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A continuación, vamos a ver las unidades de ingeniería relacionadas con el vapor así como las diferentes propiedades asociadas al mismo que serán clave para conocer cómo se comporta el vapor y de qué manera se dimensionan las diferentes partes de los sistemas de vapor en plantas industriales.

Unidades básicas de los sistemas de vapor en plantas industriales

En los sistemas de vapor en plantas industriales, se han propuesto y se utilizan muchas definiciones y unidades diferentes para propiedades mecánicas y térmicas.

Debido a los problemas que causaban se ha desarrollado un sistema internacional acordado de unidades (o unidades SI: Sistema Internacional de Unidades). En el sistema SI hay siete unidades básicas bien definidas de las cuales se pueden derivar las unidades de otras propiedades y estas se utilizarán en esta publicación.

Las unidades SI básicas incluyen longitud (metros), masa (kilogramos), tiempo (segundos) y temperatura (grados Kelvin). Las primeras tres no necesitan más explicación, mientras que las demás se describirán en más detalle más adelante.

La siguiente tabla muestra las unidades derivadas que son relevantes para este tema, todas estas deben ser conocidas por aquellos con alguna experiencia en ingeniería general. Todas estas cantidades llevan los nombres de los famosos pioneros en el desarrollo de la ciencia y la ingeniería.

Hay muchas otras cantidades que han sido derivadas de las unidades SI básicas, que también serán de importancia para cualquiera que esté involucrado en la ingeniería de los sistemas de vapor en plantas industriales. Éstas se encuentran a continuación.

Notación por punto

Se utiliza para identificar una unidad compuesta que incorpora caudal, por ejemplo:

m = Másico (por ej.: kg)

m· = Caudal másico por unidad de tiempo (por ej.: kg/h) = Caudal Másico

Múltiplos y submúltiplos

La siguiente tabla muestra los prefijos de unidades SI que se utilizan para formar múltiplos y submúltiplos decimales de las unidades SI. Permiten evitar usar valores numéricos muy grandes o muy pequeños. Al nombre de una unidad se le conecta un prefijo directamente, y un símbolo de prefijo se conecta directamente al símbolo para la unidad. En resumen: un millar de metros puede mostrarse como 1 km, 1.000 m o 10³m.

Abreviaturas especiales que se utilizan en aplicaciones de medición de caudal en los sistemas de vapor en plantas industriales

Por razones históricas, para la medición de caudal en los sistemas de vapor en plantas industriales, se utilizan las abreviaturas mostradas en la siguiente tabla:

STP – Temperatura y presión estándar en sistemas de vapor en plantas industriales

Estas son las condiciones estándar para la medición de las propiedades de la materia. La

temperatura normal es el punto de congelación del agua pura, 0°C y 273,16°K. La presión estándar es la presión ejercida por una columna de mercurio (símbolo Hg) de 760 mm de alto, a menudo designado 760 mm Hg. Esta presión también se llama una atmósfera. La densidad (masa por volumen) de un gas generalmente se reporta como su valor de STP (a temperatura y presión estándar). Las propiedades que no se pueden medir en STP se miden bajo otras condiciones, por lo general los valores obtenidos a continuación se extrapolan matemáticamente a sus valores de STP.

Símbolos y unidades típicas de los sistemas de vapor en plantas industriales

La siguiente tabla muestra los símbolos y las unidades típicas utilizadas en el lazo de vapor y condensado de los sistemas de vapor en plantas industriales.

Símbolo	Definición	Unidad
A	Área transversal de un conducto, condición operativa	m² o mm²
c_P	Calor específico a presión constante	kJ/kg °C o kJ/kg K
C_V	Calor específico a volumen constante	kJ/m³ °C o kJ/m³ K
D	Diámetro de sección transversal circular de un conducto	m o mm
d	Diámetro del orificio	m o mm
g	La aceleración debida a la gravedad	9,81 m/s²
Hz	Unidad de frecuencia (número de ciclos por segundo)	Hz o kHz
J	Julio, unidad de energía	J o kJ
L	Longitud	m
M	Masa molar de un fluido	kg/mol
N	Newton, unidad de la fuerza	N o kN
Pa	Unidad de presión (Pascal)	Pa o kPa
p	Presión estática de un fluido	bar o kPa
Δp	Presión diferencial	bar o kPa
^m^.	Unidad fundamental de longitud (metro)	m
^m^.	Masa	kg
m	Caudal másico	kg/s o kg/h
m_s	Caudal másico de vapor	kg/s o kg/h
^Q^.	Cantidad de calor	kJ
Q	Velocidad de transferencia de calor	kJ/s (kW)
R	Radio	m o mm
ReD	Número de Reynolds referido a diámetro D	Adimensional
s	Unidad fundamental de tiempo (segundos)
Sr	Número Strouhal	Adimensional
σ	Estrés	N/m²
T_S	Temperatura del vapor	K o °C
T_L	Temperatura del líquido (o producto)	K o °C
t	Tiempo	s o h
u	Velocidad de un fluido	m/s
μ	Viscosidad dinámica de un fluido	Pa s o cP
ν	Viscosidad cinemática	cSt
^ρ^.	Densidad de un fluido	kg/m³
V	Caudal volumétrico	m³/s o m³/h
W	Unidad de caudal de energía (vatios)	W (J/s)
V (vg)	Volumen (volumen específico)	m³ (m³/kg)
H (hg)	Entalpía (entalpía específica)	kJ (kJ/kg)
S (sg)	Entropía (entropía específica)	kJ/K (kJ/kg K)
U (ug)	Energía interna (energía interna específica)	kJ (kJ/kg)

Subíndices usados con propiedades

Al utilizar entalpía, entropía y energía interna, los subíndices, que se muestran a continuación, se utilizan para identificar la fase, por ejemplo:

Subíndice f = Cambio de estado fluido o líquido, por ejemplo, hf: entalpía del líquido
Subíndice fg = Cambio de estado líquido a gas, por ejemplo hfg: entalpía de vaporización
Subíndice g = Total, por ejemplo hg: entalpía total

Por convenio, el calor total del vapor sobrecalentado se representa por h. También es habitual, por convenio, mostrar las cantidades de muestra en letras mayúsculas, mientras que cantidades unitarias se muestran en minúsculas.

Temperatura en los sistemas de vapor en plantas industriales
En los sistemas de vapor en plantas industriales, la escala de temperatura se utiliza como un indicador de equilibrio térmico, en el sentido de que cualquiera de los dos sistemas en contacto uno con el otro tengan el mismo valor están en equilibrio térmico.
- La escala Celsius (°C)
  Esta escala es la más utilizada por los ingenieros, ya que tiene un cero conveniente de temperatura, que corresponde a la temperatura a la que el agua se congela.
- La escala absoluta o K (Kelvin)
  Esta escala tiene los mismos incrementos que la escala Celsius, pero tiene un cero que corresponde a la temperatura mínima posible cuando cesa todo movimiento molecular y atómico. Esta temperatura se refiere a menudo como el cero absoluto (0 K) y es equivalente a -273,16°C. Las dos escalas de temperatura son intercambiables donde la Temperatura (K) = Temperatura (°C) + 273,16
  
  La unidad SI de temperatura es el Kelvin, que se define como 1 ÷ 273,16 de la temperatura termodinámica del agua pura en su triple punto (0,01°C).
  
  La mayoría de las ecuaciones termodinámicas requieren que la temperatura se exprese en grados Kelvin. Sin embargo, la diferencia de temperatura, como se utiliza en muchos cálculos de transferencia de calor, se puede expresar en °C o °K. Puesto que ambas escalas tienen los mismos incrementos, una diferencia de temperatura de 1°C tiene el mismo valor que una diferencia de temperatura de 1 K.
Presión en los sistemas de vapor en plantas industriales
En los sistemas de vapor en plantas industriales, la unidad SI de presión es el Pascal (Pa), que se define como 1 newton de fuerza por metrocuadrado (1 N/m²). Como Pa es una unidad tan pequeña, tiende a ser más apropiado para ingeniería de vapor el kPa (1 kilonewton/m²) o MPa (1 Meganewton/m²).

Sin embargo, probablemente la unidad de medida más comúnmente utilizado para la medición de la presión en los sistemas de vapor en plantas industriales, es el bar. Equivale a 105 N/m², y se aproxima a 1 atmósfera. Otras unidades que se utilizan a menudo incluyen lb/in² (psi), kg/cm², atm, en H₂O y mm de Hg.
- Presión absoluta (bar a)
  Esta es la presión medida desde el punto de referencia de un vacío perfecto es decir, un vacío perfecto tiene una presión de 0 bar a.
- Presión manométrica (bar r)
  Esta es la presión medida desde el punto de referencia de la presión atmosférica. Aunque, en realidad, la presión atmosférica dependerá del clima y la altura sobre el nivel del mar, se utiliza a menudo un valor generalmente aceptado de 1,01325 bar a (1 atm). Esta es la presión media ejercida por el aire de la atmósfera de la Tierra a nivel del mar.
  
  Presión manométrica = Presión absoluta – Presión atmosférica
  
  Las presiones superiores a la atmosférica siempre producirán una presión manométrica positiva. Por el contrario el vacío o presión negativa es la presión por debajo de la de la atmósfera. Una presión de -1 bar r corresponde a un vacío casi perfecto.
- Presión diferencial
  Es simplemente la diferencia entre dos presiones. Cuando se especifica una presión diferencial, no es necesario el uso de los sufijos ‘r’ o ‘a’ para denotar si la presión es manométrica o es presión absoluta respectivamente, ya que el punto de referencia de presión se convierte en irrelevante.
  
  Por lo tanto, la diferencia entre dos presiones en los sistemas de vapor en plantas industriales, tendrá el mismo valor aunque estas presiones se hayan medido en presión relativa o absoluta, siempre y cuando las dos presiones se midan con el mismo punto de referencia.
  
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Densidad y volumen específico en los sistemas de vapor en plantas industriales
En los sistemas de vapor en plantas industriales, la densidad (⍴) de una sustancia se puede definir como su masa (m) por unidad de volumen (V).

El volumen específico (Vg) es el volumen por unidad de masa y por lo tanto es la inversa de la densidad. De hecho, el término ‘específico’ se utiliza generalmente para referirse a una propiedad de una unidad de masa de una sustancia.

Donde:⍴ = Densidad (kg/m³)

m = Masa (kg)

V = Volumen (m³)

Vg = Volumen específico (m³/kg)

Las unidades SI de densidad (⍴) son kg/m³, por el contrario, las unidades de volumen específico (Vg) son m³/kg.

Otro término que se utiliza en los sistemas de vapor en plantas industriales como medida de la densidad es la gravedad específica. Se trata de la relación entre la densidad de una sustancia (⍴_s) y la densidad del agua pura (⍴_w) a temperatura y presión estándar (STP). Esta condición de referencia se define generalmente como estar a la presión atmosférica y 0°C. A veces se dice que está a 20°C o 25°C y se le conoce como temperatura y presión normal (NTP).

La densidad del agua en estas condiciones es de aproximadamente 1000 kg/m³. Por lo tanto, las sustancias con una densidad superior a este valor tendrán un peso específico mayor que 1, mientras que las sustancias con una densidad menor que esta tendrán una gravedad específica menor a 1.

Puesto que la gravedad específica es una relación de dos densidades, es una variable adimensional y no tiene unidades. Por lo tanto, en este caso, el término específico no significa que es una propiedad de una unidad de masa de una sustancia. La gravedad específica también se la conoce como la densidad relativa de una sustancia.
Calor, trabajo y energía en los sistemas de vapor en plantas industriales
En los sistemas de vapor en plantas industriales, la energía se describe como la capacidad de hacer el trabajo. La transferencia de energía por medio de movimiento mecánico se llama trabajo. La unidad SI para trabajo y energía es el julio, que se define como 1 Nm.

La cantidad de trabajo mecánico llevado a cabo se puede determinar por una ecuación derivada de la mecánica de Newton:

Trabajo = Fuerza x Desplazamiento

También se puede describir como el producto de la presión aplicada y el volumen desplazado:

Trabajo = Presión aplicada x Volumen desplazado
Entalpía específica en los sistemas de vapor en plantas industriales
Este es el término dado a la energía total, debido a la presión y la temperatura, de un fluido (como agua o vapor) en un momento y condición dado. Más específicamente, es la suma de la energía interna y el trabajo realizado por una presión aplicada. La unidad básica de medida es el julio (J). Ya que un julio representa una cantidad muy pequeña de energía, es habitual el uso de kilojulios (kJ = 1 000 julios).

En los sistemas de vapor en plantas industriales, la entalpía específica es una medida de la energía total de una unidad de masa, sus unidades son kJ/kg por lo general.
Calor específico en los sistemas de vapor en plantas industriales
La entalpía de un fluido está en función de su temperatura y presión. La dependencia de la temperatura de la entalpía se puede encontrar midiendo el aumento de la temperatura causado por el flujo de calor a presión constante. La capacidad calorífica a presión constante c_p, es una medida de la diferencia en la entalpía a una temperatura en particular.

Del mismo modo, en los sistemas de vapor en plantas industriales, la energía interna está en función de la temperatura y el volumen específico. La capacidad calorífica a volumen constante c_v, es una medida de la variación de energía interna a una temperatura particular y volumen constante.

Debido a que los volúmenes específicos de los sólidos y líquidos son generalmente más pequeños, entonces, a menos que la presión sea muy alta, el trabajo realizado al aplicar una presión se puede ignorar. Por lo tanto, si la entalpía se puede representar solo por el componente de energía interna, las capacidades caloríficas de volumen constante y presión constante se puede decir que sean iguales. Por lo tanto, para sólidos y líquidos: c_p≈ c_v

Otra simplificación para sólidos y líquidos asume que son incompresibles, de manera que su volumen está en función de la temperatura. Esto implica que para fluidos incompresibles la entalpía y la capacidad de calorífica también sólo están en función de la temperatura.

El calor específico representa la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un 1 kg en 1°C, y puede ser considerar como la capacidad de una sustancia para absorber calor. Por lo tanto, la unidad SI para el calor específico es kJ/kg K (kJ/kg °C). El agua tiene un gran calor específico (4,19 kJ/kg °C) en comparación con muchos fluidos, por lo que el agua y el vapor se consideran que son buenos portadores de calor.

La cantidad de energía de calor necesaria para elevar la temperatura de una sustancia se puede determinar a partir de la siguiente ecuación:

Donde:

Q = Cantidad de energía (kJ)

m = Masa de la sustancia (kg)

c_p = Calor específico de la sustancia (kJ/kg °C)

△T = Salto de temperatura de la sustancia (°C)

Esta ecuación muestra que para una masa dada de una sustancia, el salto de temperatura está relacionado linealmente con la cantidad de calor proporcionado, suponiendo que el calor específico sea constante en ese rango de temperatura.
Entropía en los sistemas de vapor en plantas industriales
Por último, otra unidad de ingeniería abscisa en los sistemas de vapor en plantas industriales es la entropía. La entropía es la medida del grado de desorden dentro de un sistema. Cuanto mayor es el grado de desorden, mayor será la entropía. Las unidades SI de la entropía son kJ/kg K (kJ/kg °C).

En un sólido, las moléculas de una sustancia se disponen en una estructura ordenada. Cuando la sustancia pasa de sólido a líquido o de líquido a gas, la disposición de las moléculas se vuelve más desordenada a medida que comienzan a moverse más libremente. Para toda sustancia, la entropía en la fase de gas es mayor que la de la fase líquida y la entropía en la fase líquida es mayor que en la fase sólida.

Una de las características de todos los procesos naturales o espontáneos es que tienden hacia un estado de equilibrio. Esto se puede ver en la segunda ley de la termodinámica, que dice que el calor no puede pasar de un cuerpo frío a uno más caliente.

Un cambio en la entropía de un sistema está causado por un cambio en el contenido de calor, donde el cambio de entropía es igual al cambio de calor dividido por la temperatura media absoluta.

Cuando se realizan cálculos por unidad de masa, los símbolos de la entropía y entalpía se escriben en minúsculas.

Otro aspecto fundamental es cuantificar la calidad de vapor industrial que 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. Descubre cómo hacerlo con las Ecuaciones para cuantificar la calidad del vapor industrial en plantas de alimentación.

Existen muchas unidades y conceptos que hay que considerar y dominar a la hora de tratar con los sistemas de vapor en plantas industriales, pero un aspecto que no debe perderse de vista a la hora de diseñar un sistema de vapor es la sostenibilidad pues juega un papel crucial en nuestro día a día.

Los sistemas de vapor en plantas industriales se van alineando cada vez más con los objetivos de desarrollo sostenible, especialmente en el reto de reducir la dependencia de los combustibles fósiles y proporcionar vapor limpio y confiable con el uso de tecnologías sostenibles para sistemas de vapor en una industria más ecológica.