Fundamentos de Termodinámica: Título de Vapor, Condensado y Dimensionamiento de Tuberías

Título o Grado de Vapor (x)

El título de vapor (x) representa la fracción de vapor seco presente en una mezcla de vapor y agua líquida (vapor húmedo).

Expresión: x = mvapor / (mvapor + mlíquido)

Valores de referencia

• x = 0: Líquido saturado.
• 0 < x < 1: Vapor húmedo.
• x = 1: Vapor saturado seco.

Propiedades en vapor húmedo

La fórmula general para cualquier propiedad (y) es: y = yf + x (yg − yf)

• y: Propiedad del vapor húmedo.
• y_f: Propiedad del líquido saturado.
• y_g: Propiedad del vapor saturado seco.

Energía Interna (u)

Es la energía almacenada en una sustancia debido al movimiento y posición de sus moléculas.

Fórmula: u = uf + x (ug − uf)

• u_f: Energía interna del líquido saturado.
• u_g: Energía interna del vapor saturado.
• u_g − u_f: Energía interna de vaporización.

Entalpía (h)

Magnitud termodinámica que representa la energía total del sistema, considerando la energía interna y el trabajo de presión.

Expresión general: h = u + p·v (donde v es el volumen específico).

En vapor húmedo: h = hf + x (hg − hf)

• h_f: Entalpía del líquido saturado.
• h_g: Entalpía del vapor saturado.
• h_g − h_f: Calor latente de vaporización.

Gestión del Condensado

El condensado es el agua líquida que se forma cuando el vapor de agua cede su calor latente. Se produce en equipos de intercambio de calor, tuberías de distribución y superficies frías.

Características principales

• Agua a alta temperatura (cercana a la temperatura de saturación).
• Contiene una gran cantidad de calor sensible aprovechable.
• Debe evacuarse rápidamente para evitar la pérdida de rendimiento.

Problemas derivados de una mala evacuación

• Disminución del coeficiente global de transmisión de calor (UG).
• Golpes de ariete en las tuberías.
• Reducción del rendimiento de los equipos.
• Posibles daños estructurales en la instalación.

Nota: El condensado se elimina mediante purgadores de vapor y se transporta por una red de retorno hacia la caldera.

Dimensionamiento de Tuberías de Vapor

Para el diseño, se deben considerar variables como el caudal de vapor, la presión, la caída de presión admisible y la velocidad del fluido.

Pasos para el cálculo

1. Determinar el caudal total de vapor.
2. Establecer la presión de vapor al inicio del tramo.
3. Calcular la caída de presión disponible.
4. Utilizar ábacos o gráficos experimentales para definir el diámetro.

Velocidades recomendadas

• Ramales principales: ≈ 35 m/s.
• Ramales secundarios o distribución: ≈ 20 m/s.
• Rango típico de diseño: 15 – 60 m/s.

Un exceso en la pérdida de presión provoca desgaste en válvulas, golpes de ariete y mal funcionamiento de los equipos.

Dimensionamiento de Tuberías de Retorno de Condensado

Al disminuir la presión, parte del condensado se evapora formando vapor secundario (revaporizado).

• Caudal de diseño: ≈ 2 × caudal normal de funcionamiento.
• Caída de presión recomendada: 0,05 – 0,1 kg/cm² por cada 100 m de tubería.
• Objetivo: Evitar contrapresiones elevadas en la red de retorno que dificulten la descarga desde los purgadores.