El vapor sobrecalentado es vapor a una temperatura superior a su punto de vaporización a la presión absoluta donde se mide la temperatura.
Por lo tanto, el vapor sobrecalentado puede enfriarse (perder energía interna ) en cierta cantidad, lo que da como resultado una disminución de su temperatura sin cambiar de estado (es decir, condensarse ) de un gas a una mezcla de vapor saturado y líquido . Si el vapor no saturado (una mezcla que contiene vapor de agua y gotitas de agua líquida) se calienta a presión constante , su temperatura también permanecerá constante a medida que la calidad del vapor (piense en sequedad o porcentaje de vapor saturado) aumenta hacia el 100% y se convierte en vapor saturado seco (es decir, sin líquido saturado). La entrada de calor continua "sobrecalentará" el vapor saturado seco. Esto ocurrirá si el vapor saturado entra en contacto con una superficie con una temperatura más alta.
El vapor sobrecalentado y el agua líquida no pueden coexistir en condiciones de equilibrio termodinámico , ya que cualquier calor adicional simplemente evapora más agua y el vapor se convertirá en vapor saturado. Sin embargo, esta restricción puede violarse temporalmente en situaciones dinámicas (no equilibrio). Para producir vapor sobrecalentado en una planta de energía o para procesos (como el secado de papel), el vapor saturado extraído de una caldera pasa a través de un dispositivo de calentamiento separado (un sobrecalentador ) que transfiere calor adicional al vapor por contacto o por radiación .
El vapor sobrecalentado no es adecuado para la esterilización . [1] Esto se debe a que el vapor sobrecalentado es seco. El vapor seco debe alcanzar temperaturas mucho más altas y los materiales expuestos durante un período de tiempo más largo para tener la misma efectividad; o igual valor de eliminación F0 . El vapor sobrecalentado tampoco es útil para calentar; si bien tiene más energía y puede realizar más trabajo que el vapor saturado, su contenido de calor es mucho menos útil. Esto se debe a que el vapor sobrecalentado tiene el mismo coeficiente de transferencia de calor que el aire, lo que lo convierte en un aislante , un mal conductor del calor. El vapor saturado tiene un coeficiente de transferencia de calor de pared mucho más alto. [2]
Se puede utilizar vapor ligeramente sobrecalentado para la desinfección antimicrobiana de biopelículas en superficies duras. [3]
El mayor valor del vapor sobrecalentado reside en su enorme energía interna, que puede utilizarse para la reacción cinética mediante la expansión mecánica contra las palas de la turbina y los pistones alternativos , lo que produce el movimiento rotatorio de un eje. El valor del vapor sobrecalentado en estas aplicaciones es su capacidad de liberar enormes cantidades de energía interna y, al mismo tiempo, permanecer por encima de la temperatura de condensación del vapor de agua; a las presiones a las que funcionan las turbinas de reacción y los motores de pistón alternativo.
En estas aplicaciones, es de suma importancia el hecho de que el vapor de agua que contiene gotitas de líquido arrastradas es generalmente incompresible a esas presiones. En un motor alternativo o una turbina, si el vapor que realiza un trabajo se enfría a una temperatura a la que se forman gotitas de líquido, las gotitas de agua arrastradas en el flujo de fluido golpearán las piezas mecánicas con suficiente fuerza para doblarlas, agrietarlas o fracturarlas. [4] El sobrecalentamiento y la reducción de la presión mediante expansión garantizan que el flujo de vapor permanezca como un gas compresible durante todo su paso por una turbina o un motor, lo que evita que se dañen las piezas móviles internas.
El vapor saturado es vapor que está en equilibrio con agua caliente a la misma presión, es decir, no se ha calentado por encima del punto de ebullición para su presión. Esto contrasta con el vapor sobrecalentado, en el que el vapor se ha separado de las gotas de agua y luego se le ha añadido calor adicional.
Estas gotas de condensación son una causa de daños en los álabes de las turbinas de vapor , [5] razón por la cual dichas turbinas dependen de un suministro de vapor seco y sobrecalentado.
El vapor seco es vapor saturado que ha sido ligeramente sobrecalentado. Esto no es suficiente para cambiar su energía de manera apreciable, pero es un aumento de temperatura suficiente para evitar problemas de condensación, dada la pérdida promedio de temperatura en todo el circuito de suministro de vapor. Hacia fines del siglo XIX, cuando el sobrecalentamiento era todavía una tecnología poco segura, este secado con vapor brindaba los beneficios de evitar la condensación del sobrecalentamiento sin requerir las sofisticadas técnicas de lubricación o calderas del sobrecalentamiento total. [6]
Por el contrario, el vapor de agua que incluye gotitas de agua se describe como vapor húmedo . Si el vapor húmedo se calienta aún más, las gotitas se evaporan y, a una temperatura suficientemente alta (que depende de la presión), toda el agua se evapora; el sistema está en equilibrio vapor-líquido [ 7] y se convierte en vapor saturado .
El vapor saturado es ventajoso en la transferencia de calor debido al alto calor latente de vaporización. Es un modo muy eficiente de transferencia de calor. En términos sencillos, el vapor saturado se encuentra en su punto de rocío a la temperatura y presión correspondientes. El calor latente típico de vaporización (o condensación) es de 970 BTU/lb (2256 kJ/kg) para el vapor saturado a presión atmosférica. [8]
El vapor sobrecalentado se utilizó ampliamente en las locomotoras de vapor de las líneas principales . El vapor saturado tiene tres desventajas principales en una máquina de vapor : contiene pequeñas gotas de agua que deben drenarse periódicamente de los cilindros; al estar exactamente en el punto de ebullición del agua para la presión de la caldera en uso, inevitablemente se condensa en cierta medida en las tuberías de vapor y los cilindros fuera de la caldera, lo que causa una pérdida desproporcionada de volumen de vapor al hacerlo; y supone una gran demanda para la caldera.
El sobrecalentamiento del vapor lo seca de manera eficaz, eleva su temperatura hasta un punto en el que la condensación es mucho menos probable y aumenta significativamente su volumen. En conjunto, estos factores aumentan la potencia y la economía de la locomotora. Las principales desventajas son la complejidad y el costo adicionales de las tuberías del sobrecalentador y el efecto adverso que el vapor "seco" tiene sobre la lubricación de los componentes móviles, como las válvulas de vapor. Las locomotoras de maniobras generalmente no utilizaban sobrecalentamiento.
La disposición normal implicaba hacer pasar el vapor después de la válvula reguladora a través de tubos de sobrecalentamiento largos dentro de tubos de humos especialmente grandes de la caldera. Los tubos de sobrecalentamiento tenían una curvatura inversa ("torpedo") en el extremo de la cámara de combustión, de modo que el vapor tenía que pasar por la caldera al menos dos veces, captando calor al hacerlo.
Otros usos potenciales del vapor sobrecalentado incluyen: secado, limpieza, estratificación, ingeniería de reacción, secado de epoxi y uso en películas donde se requiere vapor saturado a altamente sobrecalentado a una presión atmosférica o a alta presión. Ideal para secado con vapor, oxidación con vapor y procesamiento químico. Se utiliza en tecnologías de superficies, tecnologías de limpieza, secado con vapor, catálisis, procesamiento de reacciones químicas, tecnologías de secado de superficies, tecnologías de curado, sistemas de energía y nanotecnologías.
Se ha informado sobre la aplicación de vapor sobrecalentado para el saneamiento del entorno de plantas de procesamiento de alimentos secos. [9]
El vapor sobrecalentado no suele utilizarse en un intercambiador de calor debido al bajo coeficiente de transferencia de calor. [10] En las industrias de refinación e hidrocarburos, el vapor sobrecalentado se utiliza principalmente para fines de desoxidación y limpieza.
El vapor se ha utilizado para la esterilización del suelo desde la década de 1890. Se introduce vapor en el suelo, lo que provoca el deterioro de casi todo el material orgánico (se utiliza el término "esterilización", pero no es estrictamente correcto, ya que no todos los microorganismos mueren necesariamente). La esterilización del suelo es una alternativa eficaz a muchos productos químicos en la agricultura y los productores de invernaderos la utilizan ampliamente. En este proceso se utiliza principalmente vapor húmedo, pero si se requieren temperaturas del suelo superiores al punto de ebullición del agua de 212 °F (100 °C), se debe utilizar vapor sobrecalentado. [11]