Steam

Dimensionamiento de desobrecalentador de vapor: agua de inyección por balance de energía (IAPWS-IF97)

Q: ¿Cómo calcular el caudal de agua de un desobrecalentador?

Con el balance de energía de la mezcla adiabática: ṁ_a = ṁ_v·(h_v − h_obj)/(h_obj − h_a), con las entalpías de IAPWS-IF97 a la presión del vapor (h_v y h_obj) y a la presión y temperatura del agua (h_a). En el ejemplo, 4.000 kg/h de vapor a 10 bar(g) y 280 °C llevados a 190 °C piden 355,1 kg/h de agua a 105 °C.

Q: ¿Por qué no desobrecalentar hasta la saturación?

En la saturación o por debajo el agua no se evaporaría y saldría como condensado — la calculadora lo declara inviable. Incluso por encima de la saturación, cada tipo de desobrecalentador tiene una aproximación mínima garantizada por el fabricante; por debajo, parte del agua no se evapora. Informe ese valor del catálogo para que la calculadora lo verifique.

Q: ¿Qué aproximación mínima usa la calculadora si no la informo?

Ninguna. No hay valor predeterminado porque el número depende del tipo y del fabricante. Sin él, la calculadora solo exige que el objetivo esté por encima de la saturación y emite el aviso "Aproximación mínima a la saturación no informada".

Q: ¿La calculadora verifica la boquilla, la atomización y la longitud de evaporación?

No. La viabilidad es solo termodinámica: el balance de masa y energía cierra y el estado final existe por encima de la saturación. El diferencial mínimo de presión para atomización, la longitud recta para evaporación completa, la pérdida de presión del desobrecalentador, el rango de control de la boquilla y la capacidad en la carga mínima dependen del tipo y del fabricante y deben confirmarse antes de la selección.

Q: ¿Qué pasa si el agua está demasiado caliente o con poca presión?

Si la presión del agua no supera la del vapor, no entra ni atomiza: inviable. Si la entalpía del agua es igual o mayor que la del vapor a la temperatura objetivo, no enfría el vapor hasta el objetivo: inviable. Y si la temperatura informada no corresponde a agua líquida a la presión informada, la entrada se rechaza.

Q: ¿Y si el vapor ya está por debajo de la temperatura objetivo?

Entonces no hay agua que inyectar: la calculadora informa que el desobrecalentamiento no es necesario y el vapor sigue a la línea aguas abajo en el estado de entrada.

Q: ¿Por qué la línea después del desobrecalentador se verifica con otro caudal?

Porque el agua evaporada se convierte en vapor y se suma al caudal. En el ejemplo, la línea aguas abajo lleva 4.355,1 kg/h, no 4.000 kg/h. La calculadora usa ese caudal en el diámetro mínimo, en la velocidad y en la marcha de la línea hasta el consumidor.

El desobrecalentador inyecta agua en el vapor sobrecalentado para llevarlo a una temperatura objetivo por encima de la saturación. El caudal de agua sale del balance de mezcla adiabática ṁ_v·h_v + ṁ_a·h_a = (ṁ_v + ṁ_a)·h_obj, con evaporación completa y todas las entalpías por IAPWS-IF97; la calculadora verifica la aproximación mínima a la saturación del fabricante, la presión y la temperatura del agua y la línea aguas abajo hasta el consumidor.

Cuándo usar

Úsela cuando la instalación tiene solo el desobrecalentador, sin reducción de presión: vapor sobrecalentado de caldera, turbina o colector que debe llegar a un consumidor a una temperatura menor, más cerca de la saturación. El desobrecalentador trabaja a la presión de entrada; la calculadora exige vapor sobrecalentado a la entrada y devuelve el caudal de agua de inyección, el caudal de vapor a la salida, la aproximación real a la saturación, el diámetro interno mínimo de la línea aguas abajo y, si se informa la línea, la presión, la temperatura y la velocidad en el consumidor. Si además hay reducción de presión, use la Estación reductora y desobrecalentadora, que tiene la misma física. La viabilidad que entrega es solo termodinámica: el equipo (atomización, longitud de evaporación, pérdida de presión, rango de la boquilla, carga mínima) es del fabricante.

Qué resuelve la calculadora

El desobrecalentador quita sobrecalentamiento al vapor inyectando agua. La pregunta de proyecto es cuánta agua, y la respuesta es un balance de energía: el calor que pierde el vapor de T_entrada a T_obj es el que gana el agua hasta evaporarse por completo en esa condición.

ṁ_a = ṁ_v · (h_v − h_obj) / (h_obj − h_a)

LOGOS calcula h_v y h_obj a la presión del vapor y h_a a la presión y temperatura del agua, todas por IAPWS-IF97. El desobrecalentador aislado trabaja a la presión de entrada: no hay reducción, y la pérdida de presión del propio equipo no se calcula.

Qué se verifica

Entrada. El vapor debe estar sobrecalentado; el agua debe ser líquida a la presión informada (por debajo de su saturación y por encima de 0,01 °C), por debajo de la presión crítica. Presión del producto hasta 100 bar(a).
Objetivo por encima de la saturación. Objetivo igual o por debajo de T_sat → inviable.
Aproximación mínima del fabricante. Si se informa y no se cumple → inviable. Si no se informa → aviso; no hay valor predeterminado.
Presión del agua por encima de la del vapor. Si no → inviable.
Agua suficientemente fría. Entalpía del agua ≥ entalpía del vapor en el objetivo → inviable.
Desobrecalentamiento necesario. Si el vapor ya está en el objetivo o por debajo, no hay agua que inyectar.
Línea aguas abajo. Diámetro mínimo por el límite de velocidad con el caudal de salida (vapor + agua); con Di y longitud informados, la línea se marcha hasta el consumidor — fricción, accesorios, desnivel y pérdida térmica — con veredicto de presión (cumple con margen / cumple sin margen / no cumple / no evaluado) y de velocidad.

Qué no se verifica

“Viable” aquí es solo termodinámico. La calculadora no evalúa el diferencial mínimo de presión para atomización, la longitud recta para evaporación completa, la pérdida de presión del desobrecalentador, el rango de control de la boquilla ni la capacidad en la carga mínima. Estos dependen del tipo y del fabricante y deben confirmarse antes de la selección — la calculadora emite este aviso siempre que el balance es viable y hay agua que inyectar.

Relación con las referencias

Las propiedades del agua y del vapor siguen la IAPWS R7-97(2012) (IF97); la viscosidad y la conductividad en la línea aguas abajo, la IAPWS R12-08 / R15-11; la pérdida térmica de la línea aislada, la ISO 12241:1998. Los límites de velocidad (40 y 70 m/s) y la rugosidad de 0,045 mm son criterios predeterminados de LOGOS, ajustables. La memoria de cálculo cita la NR-13 solo como referencia de documentación e interfaz con el profesional legalmente habilitado.

Fórmulas y fundamentos

Agua de inyección — balance de mezcla adiabática ṁ_v·h_v + ṁ_a·h_a = (ṁ_v + ṁ_a)·h_obj → ṁ_a = ṁ_v·(h_v − h_obj) / (h_obj − h_a)

El calor que pierde el vapor hasta la temperatura objetivo es el que gana el agua hasta evaporarse por completo en esa condición. ṁ_v = caudal de vapor de entrada [kg/h]; ṁ_a = caudal de agua de inyección [kg/h]; h_v = entalpía del vapor de entrada [kJ/kg]; h_obj = entalpía del vapor a la presión de trabajo y la temperatura objetivo [kJ/kg]; h_a = entalpía del agua a su presión y temperatura [kJ/kg]. Balance adiabático (sin pérdida de calor en el equipo) y evaporación completa.

Estados por IAPWS-IF97 h_v = h(P, T_entrada) ; h_obj = h(P, T_obj) ; h_a = h(P_agua, T_agua)

Todas las entalpías vienen del motor IAPWS-IF97 de LOGOS, con presiones absolutas (bar(g) + atmósfera). P = presión del vapor, la misma a la entrada y a la salida: el desobrecalentador aislado no reduce presión, y la pérdida de presión del propio equipo no se calcula.

Caudal de vapor a la salida ṁ_salida = ṁ_v + ṁ_a

El agua evaporada suma caudal. Es ṁ_salida — y no ṁ_v — la que define el diámetro mínimo, la velocidad y la pérdida de carga de la línea aguas abajo.

Aproximación a la saturación ΔT_ap = T_obj − T_sat(P) ≥ ΔT_ap,min (fabricante)

Cuánto queda la temperatura objetivo por encima de la saturación a la presión de trabajo [K]. ΔT_ap ≤ 0 es inviable (el agua no se evaporaría). ΔT_ap,min es la aproximación mínima garantizada por el fabricante del desobrecalentador; la calculadora no adopta valor predeterminado — sin ella, solo exige estar por encima de la saturación y emite un aviso.

Diámetro interno mínimo por velocidad D_min = √(4·ṁ·v / (π·V_lim))

ṁ = caudal másico en la línea [kg/s]; v = volumen específico del vapor [m³/kg]; V_lim = límite de velocidad de proyecto [m/s]. Predeterminado de LOGOS (D124): 70 m/s si el vapor sale sobrecalentado, 40 m/s si sale saturado o húmedo; ajustable.

Veredicto de presión en el consumidor margen_disp = P_consumidor − P_req → < 0: no cumple ; < M_P: cumple sin margen ; ≥ M_P: cumple con margen

P_consumidor sale de la marcha de la línea aguas abajo (fricción Darcy-Weisbach con Colebrook, accesorios, desnivel, aceleración y pérdida térmica según ISO 12241). P_req = presión requerida en el consumidor [bar(g)]; M_P = margen de proyecto [bar].

Normas y métodos

IAPWS R7-97(2012) — IAPWS-IF97, propiedades termodinámicas del agua y del vapor
IAPWS R12-08 / R15-11 — viscosidad y conductividad térmica del agua (línea aguas abajo)
ISO 12241:1998 — pérdida térmica de la línea aislada (LOGOS implementa la edición de 1998)
NR-13 (Brasil) — referencia de documentación e interfaz con el profesional legalmente habilitado; LOGOS no realiza encuadramiento legal ni sustituye el código de construcción

Valores típicos de referencia

Magnitud	Rango típico	Observación
Límite de velocidad — vapor sobrecalentado	70 m/s	Criterio predeterminado de LOGOS (D124), ajustable. Se aplica cuando el vapor sale del desobrecalentador con al menos 1 K de sobrecalentamiento.
Límite de velocidad — vapor saturado o húmedo	40 m/s	Criterio predeterminado de LOGOS (D124), ajustable. La velocidad juzgada es la máxima a lo largo de la línea aguas abajo, no la del inicio.
Aproximación mínima a la saturación	sin valor predeterminado	Depende del tipo y del fabricante del desobrecalentador; informe la del catálogo. Sin ella, la calculadora solo exige objetivo por encima de la saturación y avisa.
Rugosidad de la línea aguas abajo	0,045 mm	Predeterminado de LOGOS para acero comercial (D123); en línea existente, use la rugosidad efectiva o calibre con datos de campo.
Dominio del modelo bifásico en la línea	título ≥ 0,95 declarado; 0,80–0,95 indicativo; < 0,80 no evaluado	Criterio de LOGOS, no límite normativo — solo importa si la línea aguas abajo condensa.
Presión máxima del producto	100 bar(a)	Límite de producto de LOGOS Steam (D220); por encima, la entrada se rechaza.

Ejemplo resuelto

Desobrecalentador de 10 bar(g) / 280 °C a 190 °C, 4.000 kg/h

Datos de entrada

Presión del vapor de entrada: 10 bar(g)
Temperatura del vapor de entrada: 280 °C
Caudal de vapor: 4.000 kg/h
Temperatura objetivo: 190 °C
Aproximación mínima a la saturación (fabricante): 5 K
Agua de inyección (temperatura / presión): 105 / 15 °C / bar(g)
Línea aguas abajo (Di × L): 128,2 × 40 mm × m
Accesorios de la línea aguas abajo: 4 codos 90° + 1 válvula compuerta abierta -
Aislamiento (espesor · λ · Dext): 50 · 0,05 · 141,3 mm · W/m·K · mm
Presión requerida en el consumidor / margen: 9,5 / 0,1 bar(g) / bar

Resultados

Saturación a la presión de trabajo: 184,12 °C
Sobrecalentamiento a la entrada: 95,9 K
Entalpía del vapor de entrada / del agua: 3.005,7 / 441,3 kJ/kg
Agua de inyección: 355,1 kg/h
Vapor a la salida: 4.355,1 kg/h
Aproximación a la saturación (mínimo 5 K): 5,88 K
Di mínimo aguas abajo (límite 70 m/s): 63,0 mm
Velocidad máxima en la línea aguas abajo: 16,97 m/s
Presión en el consumidor (ΔP de la línea): 9,930 (0,07) bar(g) (bar)
Temperatura en el consumidor / saturación local: 188,7 / 183,8 °C
Veredicto de presión: cumple con margen 0,43 bar disponible / 0,1 bar exigido

A 10 bar(g) la saturación es 184,12 °C, así que el vapor a 280 °C entra con 95,9 K de sobrecalentamiento. Para llevarlo a 190 °C, el balance pide 355,1 kg/h de agua a 105 °C (entalpía 441,3 kJ/kg, frente a 3.005,7 kJ/kg del vapor), y el caudal que sigue a la línea pasa a 4.355,1 kg/h. El objetivo queda 5,88 K por encima de la saturación — por encima del mínimo de 5 K informado, pero con poca holgura: un objetivo aún más bajo chocaría con el límite del fabricante. El agua a 15 bar(g) supera la presión del vapor y el balance cierra: el desobrecalentador es viable en sentido termodinámico, y la calculadora emite el aviso de que el equipo no se verificó. Como el vapor aún sale sobrecalentado, vale el límite de 70 m/s; la línea de 128,2 mm (Di mínimo 63,0 mm) va a 16,97 m/s. A lo largo de los 40 m aislados, el vapor llega al consumidor a 9,930 bar(g) y 188,7 °C, todavía por encima de la saturación local (183,8 °C), sin condensado; el margen disponible de 0,43 bar cubre los 0,1 bar exigidos.

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Errores comunes

Poner la temperatura objetivo en la saturación o por debajo. El agua no se evaporaría y saldría como condensado; la calculadora declara el desobrecalentador inviable.
Dejar en blanco la aproximación mínima. Cada tipo de desobrecalentador tiene la suya, garantizada por el fabricante; sin ella la calculadora solo comprueba que el objetivo está por encima de la saturación, lo que no basta para que el equipo evapore toda el agua.
Informar el agua con presión igual o menor que la del vapor. El agua debe superar la presión del vapor en el punto de inyección para entrar y atomizar; en ese caso el resultado es inviable. La calculadora solo comprueba que la presión sea mayor — el diferencial mínimo para atomizar es del fabricante.
Usar agua demasiado caliente. Si la entalpía del agua es igual o mayor que la del vapor a la temperatura objetivo, inyectarla no enfría el vapor hasta el objetivo: inviable. El agua más fría pide menos caudal, porque cada kg quita más calor.
Dimensionar la línea aguas abajo con el caudal de entrada. El agua evaporada suma caudal: la línea lleva ṁ_v + ṁ_a, y con él salen el diámetro mínimo, la velocidad y la pérdida de carga.
Tomar "balance viable" como selección del equipo. La calculadora no verifica el diferencial de atomización, la longitud recta para evaporación completa, la pérdida de presión del desobrecalentador, el rango de control de la boquilla ni la capacidad en la carga mínima.

Preguntas frecuentes

¿Cómo calcular el caudal de agua de un desobrecalentador?