Introducción
La revolución industrial (aprox. 1760-1820) puede haber sido impulsada por el carbón, pero fue alimentada por el vapor. Los humanos han estado aprovechando el poder del vapor durante miles de años, pero solo en los últimos 200 años hemos comenzado a depender de él para innumerables aplicaciones industriales. Este curso analiza los orígenes del vapor, su teoría (termodinámica), generación y aplicaciones.
Historia
El primer uso del vapor se registró hace varios miles de años. Hero de Alejandría creó una de las primeras turbinas de vapor en el siglo I, pero el concepto tuvo poca aplicación hasta mucho más tarde en el siglo XIX.
Eolípila (Motor de Hero)
Al inicio de la revolución industrial, James Watt diseñó un motor de pistón alternativo que era impulsado por vapor; el diseño se conocía como motor de vapor. El motor de vapor fue ampliamente adoptado y se convirtió en uno de los motores primarios más icónicos de la época.
Dibujo del Motor de Vapor de Boulton y Watt
Pero James Watt no fue la única persona en utilizar el poder del vapor para realizar trabajos útiles. Otros ingenieros pronto se dieron cuenta de que los motores de vapor podían usarse para una amplia gama de aplicaciones. Algunas aplicaciones incluían el impulso de locomotoras ferroviarias, tractores y barcos.
Automóvil Impulsado por Vapor
Al mismo tiempo que crecían las aplicaciones del vapor, los rápidos avances en ingeniería eléctrica llevaron a un aumento en la demanda de motores primarios que pudieran usarse para generar la nueva maravilla de la época... ¡electricidad!
Turbinas de vapor se encontraron como motores primarios ideales para la nueva industria de generación de energía. Hoy en día, más del 80% de la electricidad mundial es proporcionada por motores primarios de turbinas de vapor.
Casi todos los motores primarios de la revolución industrial fueron impulsados por vapor, y fueron calderas las que proporcionaron ese vapor. A medida que han crecido las aplicaciones del vapor, también lo han hecho la cantidad y las variaciones de diseño de las calderas de vapor. Los avances en tecnología y materiales han permitido motores primarios cada vez más grandes, lo que ha llevado a un aumento correspondiente en el tamaño y la potencia de las calderas de vapor.
El vapor se utiliza en casi todos los procesos industriales modernos, ya sea en el proceso directamente, o para servicios secundarios como calentamiento de agua, o calefacción de espacios. La próxima lección discute los principales usos del vapor.
Usos del Vapor
El vapor se utiliza para cuatro propósitos principales:
- Calefacción – circuito cerrado. Diseño simple. Bajas presiones y temperaturas.
- Generación de Energía – los diseños de sistemas varían de simples a sofisticados. Amplio rango de presiones y temperaturas. Puede producir cantidades medianas a muy grandes de vapor.
- Procesos Industriales – muy similares a los sistemas de vapor para generación de energía, aunque pueden existir tolerancias mucho más estrictas en cuanto a la calidad del vapor. Los sistemas de vapor son a menudo críticos para el proceso de producción de la planta/fábrica, es decir, sin vapor = sin producción.
- Trabajo Mecánico – el vapor puede -y se usa- para impulsar bombas, compresores y otros elementos de maquinaria que pueden no ser adecuados para un accionamiento eléctrico u otro tipo de accionamiento.
Es raro visitar una planta industrial que no tenga una caldera en el sitio. Aunque los usos del vapor son numerosos, generalmente pertenecen a una de las cuatro categorías mencionadas anteriormente.
¿Por qué Vapor?
La civilización humana requiere energía para funcionar, mucha de ella. Sin energía, no sería posible bombear agua a las ciudades, proporcionar electricidad a los hogares, conducir automóviles o calentar edificios. Antes de ser utilizada por los consumidores finales, toda la energía debe primero generarse y transportarse al punto de uso.
La electricidad es un ejemplo de energía transportada. Las centrales eléctricas generan electricidad convirtiendo calor, presión y/o energía cinética en corriente eléctrica. Convertir la fuente de energía original en energía eléctrica permite que se transporte fácilmente a través de grandes distancias hasta el punto de uso.
El vapor también puede -y se usa- para transportar energía, pero a diferencia de la electricidad, el vapor transporta energía térmica, y es un fluido. Debido a que el vapor es un fluido y se usa para transportar energía, se le denomina un fluido energético.
Un fluido no tiene forma fija y cede cuando se aplica presión externa, es decir, los fluidos fluyen fácilmente. Los fluidos pueden ser un líquido o un gas.
Un fluido energético es un fluido utilizado para transportar energía, generalmente en forma de calor (energía térmica), presión (energía de presión) y/o velocidad (energía cinética).
Aunque hay otros fluidos energéticos disponibles, el vapor se considera 'el fluido energético' y es, con mucho, el fluido energético más común en uso hoy en día. Las razones de la popularidad del vapor están estrechamente relacionadas con las propiedades del agua de la que se produce. El agua es:
- Abundante.
- Fácil de acceder (dependiendo de la ubicación geográfica).
- Barata en comparación con otros fluidos energéticos.
- No tóxica.
- Fácil de transportar, es decir, se puede bombear.
- Fácil de controlar, es decir, con válvulas, etc.
Después de que el agua se convierte en vapor, se convierte en un fluido energético con muchas propiedades ventajosas:
- Una masa dada de vapor puede contener cinco a seis veces más energía que una masa equivalente de agua.
- Se puede generar eficientemente; muchas calderas operan con >80% de eficiencia térmica.
- Se puede distribuir fácilmente creando una diferencia de presión en el sistema de vapor.
- No es tóxico y no daña el medio ambiente.
- No chispea, enciende ni se combustiona (intrínsecamente seguro).
- La cantidad de energía dentro del sistema se puede regular fácilmente regulando la presión del vapor.
- Las propiedades de transferencia de calor del vapor son altas.
Otros fluidos energéticos generalmente solo se usan si ciertas variables hacen que el uso del vapor sea indeseable. Por ejemplo, los aceites térmicos (aceite mineral) se utilizan para transportar grandes volúmenes de calor a temperaturas muy altas para las cuales el vapor puede no ser adecuado. Por razones de seguridad, los edificios a menudo se calientan con agua caliente muy por debajo de su punto de ebullición; las presiones y temperaturas más bajas también ejercen menos estrés sobre las tuberías y componentes del sistema, lo que les da una vida útil más larga.
El Sistema de Vapor
El propósito del vapor es transportar energía desde donde se genera hasta donde se requiere, minimizando las pérdidas de energía asociadas con el transporte. Para hacer esto, los sistemas de vapor constan de cuatro partes principales.
- Sistema de Combustible – proporciona energía química a la caldera (o turbina de combustión si se utiliza un generador de vapor de recuperación de calor (HRSG)).
- Caldera – convierte la energía química del combustible en energía térmica.
- Distribución – transporta el vapor al punto de uso.
- Recolección/Recuperación – recupera condensado (agua) del sistema de vapor y lo devuelve a la caldera.
Los sistemas mencionados anteriormente forman un ciclo de proceso básico:
- Generación
- Distribución
- Recuperación
- Repetir
La energía se transfiere al vapor durante la generación. Luego, el vapor se distribuye al punto de uso donde se transfiere parte de la energía del vapor. La pérdida de energía hace que parte del vapor se condense y forme condensado, que luego se recupera, trata y devuelve a la caldera. Todo el proceso está diseñado en función de la transferencia de energía.
- Generación – energía química del combustible transferida al agua. El agua de la caldera hierve y luego evapora para formar vapor.
- Distribución – energía transportada al punto de uso.
- Recuperación – parte del vapor cede energía en el punto de uso y condensa para formar agua.
- Repetir – la energía restante dentro del condensado se devuelve a la caldera.
Nota que en centrales eléctricas, se puede usar un condensador para cambiar el vapor de escape de una turbina de vapor a condensado antes de que se devuelva a la caldera.
Recursos Adicionales
https://en.wikipedia.org/wiki/Steam
https://www.tlv.com/global/ME/steam-theory/principal-applications-for-steam.html
https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/introduction/steam---the-energy-fluid
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Steam