¿Qué es el vapor sobrecalentado? – Definición

El vapor sobrecalentado es un vapor a una temperatura superior a su punto de ebullición a la presión absoluta. Las propiedades del vapor seco se tabulan en tablas de vapor. Ingenieria termal

Vapor supercalentado

Diagrama de fase del agua.
Diagrama de fase del agua.
Fuente: wikipedia.org CC BY-SA

Como se puede ver en el diagrama de fases del agua, en las regiones de dos fases (p. Ej., En el borde de las fases vapor / líquido), solo la temperatura establecida establecerá la presión y la presión específica establecerá la temperatura.

  • La curva de vapor de saturación es la curva que separa el estado de dos fases y el estado de vapor sobrecalentado en el diagrama Ts.
  • La curva de líquido saturado es la curva que separa el estado líquido subenfriado y el estado de dos fases en el diagrama Ts.

Si un vapor existe completamente como vapor a temperatura de saturación, se llama vapor saturado o vapor saturado o vapor seco . El vapor saturado seco se caracteriza por la calidad del vapor, que es igual a la unidad. El vapor sobrecalentado o vapor sobrecalentado es un vapor a una temperatura superior a su punto de ebullición a la presión absoluta donde se mide la temperatura. La presión y la temperatura del vapor sobrecalentado son propiedades independientes, ya que la temperatura puede aumentar mientras la presión permanece constante. En realidad, las sustancias que llamamos gases son vapores muy sobrecalentados.

termodinámica de ingeniería
Ciclo de Rankine – Termodinámica como ciencia de conversión de energía

El proceso de sobrecalentamiento del vapor de agua en el diagrama Ts se proporciona en la figura entre el estado E y la curva de vapor de saturación. Como se puede ver, también las turbinas de vapor húmedo utilizan vapor sobrecalentado, especialmente en la entrada de las etapas de baja presión. Para evaluar la eficiencia térmica del ciclo, la entalpía debe obtenerse de las tablas de vapor sobrecalentado .

El proceso de sobrecalentamiento es la única forma de aumentar la temperatura máxima del ciclo de Rankine (y aumentar la eficiencia) sin aumentar la presión de la caldera. Esto requiere la adición de otro tipo de intercambiador de calor llamado sobrecalentador , que produce el vapor sobrecalentado .

En el sobrecalentador, el calentamiento adicional a presión fija da como resultado aumentos tanto en la temperatura como en el volumen específico. El proceso de sobrecalentamiento en el diagrama Ts se proporciona en la figura entre el estado E y la curva de vapor de saturación .

Típicamente, la mayoría de las plantas de energía nuclear opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura) desde un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D). El vapor debe ser recalentado o sobrecalentado.con el fin de evitar daños que puedan ser causados ​​a palas de turbina de vapor por vapor de baja calidad. El alto contenido de gotas de agua puede causar el impacto rápido y la erosión de las cuchillas que ocurre cuando el agua condensada se lanza sobre las cuchillas. Para evitar esto, se instalan drenajes de condensado en la tubería de vapor que conduce a la turbina. El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado está a una presión muy por debajo de la atmosférica, y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

 

Calidad de vapor – Fracción de sequedad

sobrecalentado-vapor-minComo se puede ver en el diagrama de fases del agua , en las regiones de dos fases (p. Ej., En el borde de las fases vapor / líquido), solo la temperatura establecida establecerá la presión y la presión específica establecerá la temperatura. Pero estos parámetros no definirán el volumen y la entalpía porque necesitaremos conocer la proporción relativa de las dos fases presentes.

La fracción de masa del vapor en una región de vapor líquido de dos fases se denomina calidad del vapor (o fracción de sequedad), x , y se obtiene mediante la siguiente fórmula:

calidad de vapor

El valor de la calidad varía de cero a la unidad . Aunque se define como una relación, la calidad se da con frecuencia como un porcentaje. Desde este punto de vista, distinguimos entre tres tipos básicos de vapor. Debe agregarse, en x = 0, estamos hablando del estado líquido saturado (monofásico).

Esta clasificación del vapor tiene su limitación. Considere el comportamiento del sistema que se calienta a la presión, que es más alta que la presión crítica . En este caso, no habría cambio de fase de líquido a vapor. En todos los estados solo habría una fase. La vaporización y la condensación pueden ocurrir solo cuando la presión es menor que la presión crítica. Los términos líquido y vapor tienden a perder su significado.

Ver también: saturación

Propiedades de Steam – Tablas de Steam

El agua y el vapor son un fluido común utilizado para el intercambio de calor en el circuito primario (desde la superficie de las barras de combustible hasta el flujo de refrigerante) y en el circuito secundario. Se utiliza debido a su disponibilidad y alta capacidad calorífica, tanto para enfriamiento como para calefacción. Es especialmente efectivo para transportar calor a través de la vaporización y la condensación de agua debido a su gran calor latente de vaporización .

Una desventaja es que los reactores moderados por agua tienen que usar un circuito primario de alta presión para mantener el agua en estado líquido y para lograr una eficiencia termodinámica suficiente. El agua y el vapor también reaccionan con metales que se encuentran comúnmente en industrias como el acero y el cobre, que se oxidan más rápido por el agua y el vapor no tratados. En casi todas las centrales térmicas (carbón, gas, nuclear), el agua se utiliza como fluido de trabajo (utilizado en un circuito cerrado entre la caldera, la turbina de vapor y el condensador) y el refrigerante (utilizado para intercambiar el calor residual a un cuerpo de agua). o llévelo por evaporación en una torre de enfriamiento).

Propiedades del agua - mesas de vapor
Tablas de vapor: parámetros comunes en sistemas de energía

El agua y el vapor son un medio común porque sus propiedades son muy conocidas . Sus propiedades están tabuladas en las llamadas ” Tablas de Steam “. En estas tablas, las propiedades básicas y clave, como la presión, la temperatura, la entalpía, la densidad y el calor específico, se tabulan a lo largo de la curva de saturación vapor-líquido en función de la temperatura y la presión. Las propiedades también están tabuladas para estados monofásicos ( agua comprimida o vapor sobrecalentado ) en una red de temperaturas y presiones que se extienden a 2000 ºC y 1000 MPa.

Se pueden encontrar más datos completos y autorizados en la página del NIST Webbook sobre las propiedades termofísicas de los fluidos.

Ver también: Tablas de vapor

Referencia especial: Allan H. Harvey. Propiedades termodinámicas del agua, NISTIR 5078. Recuperado de https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

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