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 resulta en 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 insaturado (una mezcla que contiene vapor de agua y gotas de agua líquida) se calienta a presión constante , su temperatura también permanecerá constante a medida que la calidad del vapor (piense en la sequedad o el porcentaje de vapor saturado) aumenta hacia el 100% y se vuelve seco ( es decir, sin líquido saturado) vapor saturado. El aporte continuo de calor "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 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 (de no equilibrio). Para producir vapor sobrecalentado en una planta de energía o para procesos (como secar 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 está seco. El vapor seco debe alcanzar temperaturas mucho más altas y los materiales expuestos por más tiempo 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 calórico 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 , es decir, un mal conductor del calor. El vapor saturado tiene un coeficiente de transferencia de calor de pared mucho mayor. [2]
Se puede utilizar vapor ligeramente sobrecalentado para la desinfección antimicrobiana de biopelículas en superficies duras. [3]
El mayor valor del vapor sobrecalentado radica en su enorme energía interna que puede usarse para una reacción cinética mediante expansión mecánica contra las palas de la turbina y los pistones alternativos , que produce el movimiento giratorio 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 operan las turbinas de reacción y los motores de pistón alternativo.
De primordial importancia en estas aplicaciones es el hecho de que el vapor de agua que contiene gotas de líquido arrastradas generalmente es incompresible a esas presiones. En un motor alternativo o turbina, si el vapor que realiza el trabajo se enfría a una temperatura en la que se forman gotas de líquido, entonces las gotas de agua arrastradas en el flujo de fluido golpearán las piezas mecánicas con fuerza suficiente para doblarlas, agrietarlas o fracturarlas. [4] El sobrecalentamiento y la reducción de presión mediante expansión asegura que el flujo de vapor permanezca como un gas comprimible durante todo su paso a través de una turbina o un motor, evitando daños a las partes móviles internas.
El vapor saturado es vapor que está en equilibrio con agua calentada a la misma presión, es decir, que no se ha calentado por encima del punto de ebullición correspondiente a su presión. Esto contrasta con el vapor sobrecalentado, en el que el vapor se ha separado de las gotas de agua y luego se ha añadido calor adicional.
Estas gotas de condensación causan daños a las palas de las turbinas de vapor , [5] la razón por la cual dichas turbinas dependen de un suministro de vapor seco y sobrecalentado.
El vapor seco es vapor saturado que se ha sobrecalentado ligeramente. Esto no es suficiente para cambiar apreciablemente su energía, 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 finales del siglo XIX, cuando el sobrecalentamiento todavía era una tecnología poco segura, dicho secado con vapor proporcionaba los beneficios del sobrecalentamiento para evitar la condensación sin requerir las sofisticadas técnicas de caldera o lubricación del sobrecalentamiento completo. [6]
Por el contrario, el vapor de agua que incluye gotas de agua se describe como vapor húmedo . Si el vapor húmedo se calienta más, las gotas 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 970 BTU/lb (2256 kJ/kg) para vapor saturado a presión atmosférica. [8]
El vapor sobrecalentado se utilizó ampliamente en las locomotoras de vapor de la línea principal . El vapor saturado tiene tres desventajas principales en una máquina de vapor : contiene pequeñas gotas de agua que deben ser drenadas periódicamente de los cilindros; al estar precisamente en el punto de ebullición del agua para la presión de la caldera en uso, inevitablemente se condensa en cierta medida en las tuberías y cilindros de vapor fuera de la caldera, provocando una pérdida desproporcionada de volumen de vapor al hacerlo; y supone una gran exigencia para la caldera.
El sobrecalentamiento del vapor lo seca eficazmente, eleva su temperatura hasta un punto en el que la condensación es mucho menos probable y aumenta significativamente su volumen. Sumados, estos factores aumentan la potencia y la economía de la locomotora. Las principales desventajas son la complejidad y el costo añadidos de la tubería del sobrecalentador y el efecto adverso que tiene el vapor "seco" en la lubricación de los componentes móviles, como las válvulas de vapor. Las locomotoras de maniobras generalmente no utilizaban sobrecalentamiento.
La disposición normal implicaba tomar vapor después de la válvula reguladora y pasarlo a través de largos tubos de sobrecalentamiento dentro de tubos de combustión especialmente grandes de la caldera. Los tubos del sobrecalentador tenían una curvatura inversa ("torpedo") en el extremo de la cámara de combustión, de modo que el vapor tenía que pasar a lo largo de la caldera al menos dos veces, adquiriendo calor al hacerlo.
Otros usos potenciales del vapor sobrecalentado incluyen: secado, limpieza, estratificación, ingeniería de reacción, secado de epoxi y uso de 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. Los usos se encuentran en tecnologías de superficies, tecnologías de limpieza, secado con vapor, catálisis, procesamiento de reacciones químicas, tecnologías de secado de superficies, tecnologías de curado, sistemas energéticos y nanotecnologías.
Se ha informado sobre la aplicación de vapor sobrecalentado para el saneamiento del entorno de una planta procesadora de alimentos secos. [9]
Generalmente no se utiliza vapor sobrecalentado en un intercambiador de calor debido al bajo coeficiente de transferencia de calor. [10] En las industrias de refinación y de hidrocarburos, el vapor sobrecalentado se utiliza principalmente para fines de decapado y limpieza.
El vapor se ha utilizado para vaporizar la tierra desde la década de 1890. Se induce vapor en el suelo, lo que provoca que casi todo el material orgánico se deteriore (se utiliza el término "esterilización", pero no es estrictamente correcto ya que no necesariamente se matan todos los microorganismos). La vaporización del suelo es una alternativa eficaz a muchos productos químicos en la agricultura y es ampliamente utilizada por los productores de invernadero. En este proceso se utiliza principalmente vapor húmedo, pero si se requieren temperaturas del suelo superiores a los 212 °F (100 °C) del punto de ebullición del agua, se debe utilizar vapor sobrecalentado. [11]