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Vapor

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Erupción en fase líquida del géiser Castle en el Parque Nacional de Yellowstone.
Diagrama temperatura-entropía (T-s) para el vapor de agua.
Diagrama de Mollier de entalpía-entropía (h-s) para el vapor de agua.

El vapor es agua en la fase gaseosa, que se forma cuando el agua hierve o se evapora.[1] El vapor es invisible; sin embargo, el término "vapor" suele referirse al vapor húmedo, es decir, la niebla visible o el aerosol de gotas de agua que se forman cuando este vapor de agua se condensa.[2] A presiones inferiores, como en la atmósfera superior o en la cima de altas montañas, el agua hierve a una temperatura más baja que los nominales 100 grados Celsius (212 °F) a presión estándar.[3] Si se calienta más allá de su punto de ebullición, se convierte en vapor sobrecalentado.[4]

La entalpía de vaporización es la energía requerida para convertir el agua en forma gaseosa, lo que aumenta su volumen aproximadamente 1700 veces a temperatura y presión estándar.[5] Este cambio de volumen puede convertirse en trabajo mecánico mediante máquinas de vapor, como los motores de pistón y las turbinas de vapor, que son un subconjunto de las máquinas de vapor.[6] Las máquinas de vapor de pistón desempeñaron un papel central en la Revolución Industrial,[7] y las turbinas de vapor modernas se utilizan para generar más del 80% de la electricidad mundial.[8] Si el agua líquida entra en contacto con una superficie extremadamente caliente o se despresuriza rápidamente por debajo de su presión de vapor, puede provocar una explosión de vapor.[9]

Producción de vapor

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Tradicionalmente, el vapor se genera calentando una caldera mediante la combustión de carbón u otros combustibles, pero también es posible producir vapor con energía solar.[10][11][12] Las calderas modernas incluyen diseños de recuperación de calor residual y calderas de recuperación que aprovechan el calor de otros procesos industriales.[13]

Tipos de vapor

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Vapor húmedo

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El vapor de agua que incluye gotas de agua en suspensión se denomina vapor húmedo. A medida que el vapor húmedo se calienta, las gotitas se evaporan y, a una temperatura suficientemente alta (dependiente de la presión), toda el agua se evapora y el sistema alcanza el equilibrio vapor-líquido.[14] El vapor húmedo se caracteriza por su calidad de vapor (fracción de masa de vapor en la mezcla líquido-vapor), que varía entre 0 (líquido saturado) y 1 (vapor saturado seco).[1]

Vapor saturado

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El vapor saturado está en equilibrio termodinámico con agua líquida a la misma temperatura y presión. Se subdivide en vapor saturado seco (sin gotas de agua) y vapor saturado húmedo (con gotas en suspensión).[2]

Vapor sobrecalentado

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El vapor sobrecalentado es vapor a una temperatura superior a su punto de ebullición para una presión dada, lo que solo ocurre cuando toda el agua líquida se ha evaporado o eliminado del sistema.[15] El vapor sobrecalentado tiene aplicaciones en turbinas de vapor de alta eficiencia y en procesos industriales que requieren transferencia de calor a altas temperaturas sin condensación.[16]

Tabla comparativa de tipos de vapor

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Propiedades de los distintos tipos de vapor
Tipo de vaporTemperaturaContenido de líquidoAplicaciones típicas
Vapor húmedoTemperatura de saturaciónPresente (gotas)Calefacción, procesos industriales
Vapor saturado secoTemperatura de saturaciónAusenteBase para sobrecalentamiento
Vapor sobrecalentadoSuperior a la saturaciónAusenteTurbinas de alta eficiencia, generación eléctrica

Fuentes: Çengel & Boles (2015),[1] Moran & Shapiro (2014).[2]

Propiedades termodinámicas

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Las tablas de vapor[17][18] contienen datos termodinámicos para el agua y el vapor, y son utilizadas por ingenieros y científicos para diseñar y operar equipos basados en ciclos termodinámicos que involucran vapor.[19] Además, los diagramas de fase termodinámicos para agua/vapor, como el diagrama temperatura-entropía o el diagrama de Mollier, son herramientas útiles. Las tablas de vapor también se emplean para analizar ciclos termodinámicos, incluyendo el ciclo de Rankine y el ciclo de Rankine orgánico.[2]

Diagrama de entalpía-entropía (h-s) para vapor (unidades imperiales).
Diagrama de presión-entalpía (p-h) para vapor (unidades imperiales).
Diagrama de temperatura-entropía (T-s) para vapor (unidades imperiales).
Diagrama de entalpía-entropía (h-s) Diagrama de presión-entalpía (p-h) Diagrama de temperatura-entropía (T-s)

Usos

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Agricultura

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En la agricultura, el vapor se utiliza para la esterilización del suelo, con el fin de evitar el uso de agentes químicos nocivos y mejorar la salud del suelo.[20]

Uso doméstico

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La capacidad del vapor para transferir calor también se aprovecha en el hogar: para cocinar verduras, limpiar con vapor telas, alfombras y pisos, y para calentar edificios.[21] En cada caso, el agua se calienta en una caldera y el vapor transporta la energía al objeto objetivo. El vapor también se usa para planchar la ropa, añadiendo suficiente humedad junto con el calor para eliminar arrugas o para crear arrugas intencionales en prendas.[22]

Generación eléctrica y cogeneración

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Desde el año 2000, aproximadamente el 90% de toda la electricidad se genera utilizando vapor como fluido de trabajo, casi en su totalidad mediante turbinas de vapor.[8][23]

En la generación eléctrica, el vapor suele condensarse al final de su ciclo de expansión y se devuelve a la caldera para su reutilización. Sin embargo, en la cogeneración, el vapor se canaliza a los edificios mediante un sistema de calefacción urbana para proporcionar energía térmica después de su uso en el ciclo de generación eléctrica.[24] El sistema de vapor más grande del mundo es el sistema de vapor de la ciudad de Nueva York, que bombea vapor a 100 000 edificios en Manhattan desde siete plantas de cogeneración.[25]

Almacenamiento de energía

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Locomotora sin fuego: nótese la falta de chimenea y que los cilindros están en el extremo de la cabina, no en el extremo de la chimenea.

En otras aplicaciones industriales, el vapor se utiliza para el almacenamiento energético, que se introduce y extrae mediante transferencia de calor, generalmente a través de tuberías. El vapor es un depósito de gran capacidad para energía térmica debido al alto calor de vaporización del agua.[26]

Las locomotoras de vapor sin fuego eran locomotoras de vapor que operaban a partir de un suministro de vapor almacenado a bordo en un gran tanque que se asemejaba a la caldera de una locomotora convencional. Este tanque se llenaba con vapor de proceso, disponible en muchos tipos de grandes fábricas, como las fábricas de papel. La propulsión utilizaba pistones y bielas, como en una locomotora de vapor típica. Estas locomotoras se empleaban principalmente en lugares con riesgo de incendio por la cámara de combustión de una caldera, pero también en fábricas con un abundante suministro de vapor excedente.[27]

Gas de elevación

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Debido a su baja masa molecular, el vapor es un gas de elevación eficaz, que proporciona aproximadamente un 60% más de sustentación que el helio y el doble que el aire caliente. No es inflamable, a diferencia del hidrógeno, y es barato y abundante, a diferencia del helio. Sin embargo, el calor requerido conlleva problemas de condensación y exige una envoltura aislante. Estos factores han limitado su uso principalmente a proyectos de demostración.[28]

Trabajo mecánico

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Las máquinas de vapor y las turbinas de vapor utilizan la expansión del vapor para impulsar un pistón o una turbina y realizar trabajo mecánico. Es relevante la capacidad de devolver el vapor condensado como agua líquida a la caldera a alta presión con un gasto relativamente pequeño de potencia de bombeo.[29] La condensación del vapor a agua suele ocurrir en el extremo de baja presión de una turbina de vapor, ya que esto maximiza la eficiencia energética, pero tales condiciones de vapor húmedo deben limitarse para evitar la erosión excesiva de los álabes de la turbina.[16] Los ingenieros utilizan un ciclo termodinámico idealizado, el ciclo de Rankine, para modelar el comportamiento de las máquinas de vapor. Las turbinas de vapor se emplean a menudo en la producción de electricidad.[2]

Esterilización

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Un autoclave, que utiliza vapor a presión, se emplea en laboratorios de microbiología y entornos similares para la esterilización.[30]

El vapor, especialmente el vapor seco (muy sobrecalentado), puede usarse para la limpieza antimicrobiana incluso alcanzando niveles de esterilización. El vapor es un agente antimicrobiano no tóxico.[31][32]

Vapor en tuberías

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El vapor se utiliza en tuberías para líneas de servicios públicos. También se emplea en el revestimiento y el trazado de tuberías para mantener una temperatura uniforme en tuberías y recipientes.[33]

Tratamiento de la madera

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El vapor se usa en el proceso de curvado de la madera, para eliminar insectos y aumentar su plasticidad.[34]

Tratamiento del hormigón

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El vapor se utiliza para acelerar el secado, especialmente en elementos prefabricados de hormigón. Debe tenerse cuidado, ya que el hormigón produce calor durante la hidratación y el calor adicional del vapor podría ser perjudicial para los procesos de reacción de endurecimiento del hormigón.[35]

Limpieza

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Se utiliza en la limpieza de fibras y otros materiales, a veces en preparación para pintar. El vapor también es útil para derretir residuos de grasa y aceite endurecidos, por lo que resulta adecuado para limpiar suelos y equipos de cocina, así como motores y piezas de combustión interna. Entre las ventajas del uso de vapor en comparación con una pulverización de agua caliente están que el vapor puede operar a temperaturas más altas y utiliza sustancialmente menos agua por minuto.[36]

Véase también

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Referencias

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  1. 1 2 3 Çengel, Yunus A.; Boles, Michael A. (2015). «3 (Properties of Pure Substances)». Thermodynamics: An Engineering Approach (8.ª edición). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-339817-4.
  2. 1 2 3 4 5 Moran, Michael J.; Shapiro, Howard N. (2014). «3 (Evaluating Properties)». Fundamentals of Engineering Thermodynamics (7.ª edición). John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-41293-0.
  3. ↑ Incropera, Frank P.; DeWitt, David P. (2011). «1 (Introduction)». Fundamentals of Heat and Mass Transfer (7.ª edición). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-50197-9.
  4. ↑ Rogers, Gordon F. C.; Mayhew, Yonathan R. (1995). Thermodynamic and Transport Properties of Fluids (5.ª edición). Blackwell Publishing. p. 28. ISBN 978-0-631-19703-4.
  5. ↑ Çengel, Yunus A. (2008). «3 (Enthalpy of Vaporization)». Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer (2.ª edición). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-338017-9.
  6. ↑ Smith, David J. (2018). «1 (Introduction)». The Steam Engine: A History. Amberley Publishing. ISBN 978-1-138-39089-8.
  7. ↑ Landes, David S. (2003). «2 (The Industrial Revolution)». The Unbound Prometheus: Technological Change and Industrial Development in Western Europe from 1750 to the Present (2.ª edición). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-53402-4.
  8. 1 2 Wiser, Wendell H. (2000). «Energy Source Contributions to Electric Power Generation». Energy resources: occurrence, production, conversion, use. Birkhäuser. p. 190. ISBN 978-0-387-98744-6.
  9. ↑ Tolias, Ioannis (2021). «Vapor Explosions: A Review of Experimental and Theoretical Studies». Energies 14 (15): 4472. doi:10.3390/en14154472.
  10. ↑ Taylor, Robert A.; Phelan, Patrick E.; Adrian, Ronald J.; Gunawan, Andrey; Otanicar, Todd P. (2012). «Characterization of light-induced, volumetric steam generation in nanofluids». International Journal of Thermal Sciences 56: 1-11. doi:10.1016/j.ijthermalsci.2012.01.012.
  11. ↑ Taylor, Robert A.; Phelan, Patrick E.; Otanicar, Todd P.; Walker, Chad A.; Nguyen, Monica; Trimble, Steven; Prasher, Ravi (2011). «Applicability of nanofluids in high flux solar collectors». Journal of Renewable and Sustainable Energy 3 (2): 023104. doi:10.1063/1.3571565.
  12. ↑ Taylor, Robert A.; Phelan, Patrick E.; Otanicar, Todd; Adrian, Ronald J.; Prasher, Ravi S. (2009). «Vapor generation in a nanoparticle liquid suspension using a focused, continuous laser». Applied Physics Letters 95 (16): 161907. Bibcode:2009ApPhL..95p1907T. doi:10.1063/1.3250174.
  13. ↑ Rayaprolu, Kumar (2009). «2 (Steam Generation)». Boilers for Power and Process. CRC Press. ISBN 978-1-4200-7536-6.
  14. ↑ Singh, R. Paul (2001). Introduction to food engineering (3.ª edición). Academic Press. ISBN 0-12-646384-0. OCLC 47193841.
  15. ↑ «Resources and Design Tools». www.spiraxsarco.com. Spirax Sarco. Consultado el 30 de abril de 2026.
  16. 1 2 Kehlhofer, Rolf (2009). «4 (Steam Turbines)». Combined-Cycle Gas & Steam Turbine Power Plants (3.ª edición). PennWell. ISBN 978-1593707453.
  17. ↑ Malhotra, Ashok (2012). Steam Property Tables: Thermodynamic and Transport Properties. CreateSpace Independent Publishing Platform. ISBN 978-1-479-23026-6.
  18. ↑ «IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam». International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS) (en inglés). Consultado el 20 de mayo de 2026.
  19. ↑ Çengel, Yunus A. (2015). «Apéndice 2: (Property Tables and Charts)». Thermodynamics: An Engineering Approach (8.ª edición). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-339817-4.
  20. ↑ Van Overbeek, Leo S. (2018). «Steam soil sterilization: A review of the state-of-the-art». Applied Soil Ecology 131: 56-65. doi:10.1016/j.apsoil.2018.07.003.
  21. ↑ Rifkin, Jeremy (2002). «4 (The Steam Age)». The Hydrogen Economy. Penguin. ISBN 978-1-58542-193-0.
  22. ↑ Crowley, David (2015). «3 (Domestic Applications)». Steam: The Perfect Clean. Bloomsbury. ISBN 978-1-4729-1198-6 |isbn= incorrecto (ayuda).
  23. ↑ «Steam turbines account for most U.S. electricity generation». U.S. Energy Information Administration (en inglés). 22 de julio de 2020. Consultado el 20 de mayo de 2026.
  24. ↑ Bejan, Adrian (2016). «13 (Cogeneration)». Advanced Engineering Thermodynamics (4.ª edición). John Wiley & Sons. ISBN 978-1-119-05209-8.
  25. ↑ Bevelhymer, Carl (10 de noviembre de 2003). «Steam». Gotham Gazette. Archivado desde el original el 6 de febrero de 2011. Consultado el 30 de abril de 2026.
  26. ↑ Steinmann, Wolf-Dieter (2014). «Thermal energy storage for industrial steam generation». Applied Energy 132: 464-473. doi:10.1016/j.apenergy.2014.07.045.
  27. ↑ Young, Robert (2011). «1 (History)». The Fireless Locomotive. Amberley Publishing. ISBN 978-1-4456-0174-2 |isbn= incorrecto (ayuda).
  28. ↑ «Steam Balloon JBFA Article». The Flying Kettle. Archivado desde el original el 21 de junio de 2019. Consultado el 30 de abril de 2026.
  29. ↑ Smith, James P. (2005). «4 (Work and Power)». Steam Engine Theory and Practice. Industrial Press. ISBN 978-0-8311-3193-5 |isbn= incorrecto (ayuda).
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  31. ↑ EP Patent Publication 2,091,572
  32. ↑ Song, Liyan; Wu, Jianfeng; Xi, Chuanwu (2012). «Biofilms on environmental surfaces: Evaluation of the disinfection efficacy of a novel steam vapor system». American Journal of Infection Control 40 (10): 926-30. PMID 22418602. doi:10.1016/j.ajic.2011.11.013.
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  36. ↑ «Why Steam?». Sioux Corporation Website. Sioux Corporation. Consultado el 24 de septiembre de 2015.

Enlaces externos

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