Recuperación de calor con vapor.

Cuando se transfiere calor desde un medio líquido, como agua caliente o aceite térmico, se utiliza el calor sensible del medio. El líquido se suministra al intercambiador de calor a temperaturas elevadas. Cuando el líquido desprende energía térmica, la temperatura baja y sale del intercambiador de calor a una temperatura más baja. El vapor generalmente se divide en vapor saturado (húmedo) y sobrecalentado (seco). El vapor se produce cuando todas sus moléculas de agua permanecen en estado gaseoso a una temperatura correspondiente a la presión de vapor. Por eso también se le llama "vapor saturado" (cuando se calienta más se convierte en vapor sobrecalentado).

La principal diferencia del vapor respecto al agua o al aceite térmico es su condición de vapor. Esto, o el hecho de que el vapor sea agua calentada por encima del punto de ebullición, tiene varias ventajas y desventajas para los procesos, los aparatos y equipos que generan y controlan el proceso.

Tanto para los sistemas de recuperación de calor líquido como para los de vapor, la temperatura de entrada del fluido secundario al intercambiador de calor puede cambiar con el tiempo, lo que requiere un dispositivo de control en el sistema. Esto significa que para mantener constante la temperatura de salida del medio secundario, el calor suministrado al intercambiador de calor también debe variar. Esto se puede conseguir, por ejemplo, mediante una válvula de control en el lado primario del intercambiador de calor.

La recuperación de calor con vapor se puede definir como el proceso mediante el cual el calor que normalmente se desperdiciaría se captura y transfiere a un generador de vapor. El calor residual se convierte en vapor y se suministra a un dispositivo o proceso donde puede utilizarse como energía térmica eficaz, económica y respetuosa con el medio ambiente.

Generalmente, un sistema de calentamiento con vapor significa que el vapor se suministra al intercambiador de calor en estado gaseoso. En la transferencia de calor con vapor saturado, se utiliza el calor latente del vapor y durante la condensación (transición al estado líquido) se libera una gran cantidad de energía.

El vapor permite una transferencia de calor a temperatura constante, lo que es imposible de realizar en una transferencia de calor en estado líquido.

A continuación, describiremos algunas ventajas y desventajas de los sistemas de vapor en comparación con los sistemas de transferencia de calor con aceite térmico.

Ventajas y desventajas de los sistemas de vapor.

A. Las ventajas de los sistemas de vapor

En primer lugar, la cantidad de calor latente liberada es de 2 a 5 veces mayor que la cantidad de calor sensible disponible tras la condensación del agua caliente (agua saturada). Este calor latente se libera automáticamente y se transfiere al producto a calentar a través de la superficie de transferencia de calor. A través de la condensación, el vapor y el condensado líquido fluyen naturalmente contra la superficie de transferencia de calor y favorecen la transferencia de calor. Por el contrario, los sistemas de agua caliente y aceite térmico transfieren el calor mediante calentamiento por convección, lo que no provoca ningún cambio de estado o fase cuando se calienta el medio.

Otro beneficio del vapor es que la evaporación requiere energía que se puede recuperar cuando el estado del vapor cambia de vapor a líquido (condensación), es decir, la energía acumulada durante la evaporación se utiliza liberándose nuevamente durante la condensación. (La energía que se puede liberar durante la condensación se llama calor latente)

Otra ventaja es que el vapor se transporta sin bombas, ya sea por gravedad debido a la baja densidad o por la diferencia de presión durante la generación y expansión del vapor.

Esto elimina la necesidad de bombas y, por tanto, reduce el consumo de energía eléctrica. Por otro lado, si se va a reutilizar el agua, el condensado debe bombearse nuevamente al sistema de agua de alimentación.

Sin embargo, la transferencia de calor en un sistema de transferencia de calor con portadores de calor líquidos sería extremadamente lenta debido a la circulación natural. Por lo tanto, se debe utilizar una bomba para crear un flujo contra la superficie de transferencia de calor para aumentar la velocidad de transferencia de calor, lo que se denomina transferencia de calor por convección forzada.

Además, existe una diferencia de temperatura muy pequeña entre la entrada y la salida del vapor. Esto puede suponer una gran ventaja cuando se requieren pequeñas diferencias de temperatura sobre una determinada superficie de calentamiento (por ejemplo, en placas de prensa). Esto se relativiza en cuanto se desea aprovechar el calor latente de condensación, ya que la temperatura del condensado es inferior a 100°C.

B. Las desventajas de los sistemas de vapor

Sin embargo, es desventajoso que a altas temperaturas se requiera una presión elevada. Por ejemplo, la presión del vapor saturado a 300°C ya supera los 85 bar, mientras que el aceite térmico puede transferir temperaturas de hasta 400°C, normalmente sin presión.

El hecho de que todo el sistema deba diseñarse para presión de vapor puede generar enormes costes adicionales cuando se requieren altas temperaturas.

Otra clara desventaja es que la generación de vapor requiere un espacio adicional por encima del nivel del agua, en el que pueda establecerse el vapor de agua. Esto conlleva la necesidad de un aparato más grande y, además, los generadores de vapor se instalan normalmente en posición horizontal, ya que la instalación en ejecución vertical es difícil de realizar en una sala de vapor. Si el calor se recupera a partir de aire caliente o gases, esto requiere más trabajo, mayores costes, más espacio para la instalación de conductos, etc.

Además, el vapor es comprimible. Por lo tanto, en la sala de vapor se acumula mucha energía mecánica, provocada por la compresión. Esto conduce a un mayor potencial de daños y puede requerir dispositivos de seguridad adicionales en comparación con los medios líquidos de transferencia de calor.

Además, los minerales y el oxígeno contenidos en el agua se liberan durante la evaporación y se concentran en la superficie del agua. Esto puede causar no sólo corrosión, sino también depósitos en la superficie de calentamiento, conocidos como incrustaciones de caldera, que reducen la transferencia de calor dentro de la superficie de calentamiento y el agua.

Dependiendo de la temperatura en el lado caliente, puede producirse una descomposición corrosiva o térmica del material de la superficie, e incluso pueden producirse daños en los tubos del intercambiador de calor.

En combinación con la elevada energía mecánica que se acumula en la cámara de vapor, se puede cubrir un alto potencial de daños. Esto significa que la calidad del agua de alimentación debe controlarse continuamente y, en la mayoría de los casos, es necesaria la desmineralización y desaireación del agua. A su vez, esto provoca costes adicionales en aparatos y materiales operativos (ver productos químicos).

Además, aunque el tratamiento químico del agua reduce el riesgo de depósitos, se siguen liberando minerales durante la evaporación. Estos minerales tienen una densidad mayor que el agua y se concentran en forma de lodo en el fondo del generador de vapor.

Los nitratos, que tienen una densidad ligeramente menor que el agua, se concentran en la superficie del agua. Los depósitos en el fondo del generador de vapor deben eliminarse frecuentemente mediante purga.

La concentración de nitrato se mide con un electrodo de conductividad y se libera en consecuencia en la superficie del agua.

Estas medidas provocan pérdidas continuas de agua, incluso si el condensado se devuelve por completo. Las pérdidas de agua deben compensarse con un suministro continuo de agua dulce, desmineralizada y desoxidada, lo que conlleva pérdidas de energía, ya que el agua dulce debe calentarse.

El retorno del condensado requiere cuidados adicionales. El uso de trampas de condensados, la correcta inclinación de las tuberías, etc. supone un riesgo operativo adicional. Si el sistema no está diseñado adecuadamente, el martilleo con vapor (el vapor recoge el agua, forma una "babosa" y la arroja a alta velocidad dentro de un accesorio de tubería, creando un fuerte ruido de martilleo y estresando mucho la tubería) puede causar daños menores a las tuberías o incluso daños totales en un intercambiador de calor y/o en una caldera de recuperación de calor y en las bombas.

Finalmente, los sistemas de vapor son relativamente complicados debido a los hechos descritos anteriormente. Por lo tanto, la ingeniería del proceso, el aparato y también el funcionamiento de un sistema de vapor requieren especialistas altamente cualificados y experimentados para garantizar un funcionamiento seguro y sin problemas.

Ejemplos de procesos en los que se pueden utilizar sistemas de recuperación de calor con vapor;

La calefacción con camisa de vapor se utiliza a menudo en plantas de proceso para dispositivos de calefacción, tales como; tanques, calderas, secadores, reactores y recipientes revestidos de vidrio. Con la inyección directa de vapor, el calentador ofrece el método más preciso y eficiente desde el punto de vista energético para calentar el agua de la camisa a la temperatura deseada. Este sistema funciona inyectando vapor directamente en la camisa para garantizar una transferencia eficiente de energía del vapor, que es inmediatamente absorbido por el líquido.

El secado con vapor al vacío es un proceso de transferencia de calor para eliminar la humedad de un sólido o producto húmedo. Se utiliza generalmente para calentar y secar sustancias higroscópicas y sensibles al calor y se basa en el principio de generar un vacío mediante una bomba de vacío para reducir la presión de la cámara por debajo de la presión de vapor del agua.

La humidificación mediante humidificadores de vapor se utiliza cuando se debe mantener un cierto nivel de humedad para evitar que se mantengan las propiedades del material y garantizar un ambiente confortable y saludable para los trabajadores o residentes. Cuando los serpentines de vapor calientan el aire frío, la humedad relativa del aire disminuye y luego debe ajustarse a niveles normales, agregando una inyección controlada de vapor seco saturado en el flujo de aire aguas abajo.

El vapor generado mediante la recuperación de calor residual se puede utilizar directamente en una turbina de vapor para generar electricidad.