Estación reductora de presión de vapor con desobrecalentador
La estación reductora conserva la entalpía: el estado del vapor después de la reducción sale de la IAPWS-IF97 con h₂ = h₁. A ese estado la calculadora suma el tamizaje de flujo crítico, el agua del desobrecalentador por balance de masa y energía, los diámetros mínimos aguas arriba y aguas abajo por el límite de velocidad y la presión que llega al consumidor.
Cuándo usar
Úsela al diseñar o verificar una estación que reduce vapor desde una presión de generación o distribución hasta la presión de un consumidor, con o sin desobrecalentador después de la reductora. La calculadora entrega el estado del vapor después de la reducción (sobrecalentamiento o título), indica si la relación P₂/P₁ cae en la franja de flujo crítico, calcula el caudal de agua de inyección para llevar el vapor a la temperatura objetivo, da el diámetro interno mínimo de las líneas aguas arriba y aguas abajo y recorre la línea aguas abajo hasta el consumidor (fricción, accesorios y pérdida térmica) para comparar la presión de llegada con la requerida. La válvula reductora en sí — Kv requerido y confirmación del flujo crítico por la IEC 60534-2-1 — se verifica en la calculadora de válvula de control de vapor, que recibe la tarjeta de la reductora. La válvula de seguridad de protección aguas abajo se dimensiona en la calculadora de válvula de seguridad. El límite de aplicación de esta versión es 100 bar(a) en la entrada.
Qué hace la calculadora
La estación reductora se trata en cuatro etapas encadenadas. Primero, la reducción isoentálpica: con h₂ = h₁, la IAPWS-IF97 da el estado a la presión reducida — sobrecalentamiento o título. Segundo, el tamizaje de flujo crítico: la relación P₂/P₁ se compara con dos relaciones críticas calculadas para el vapor de entrada, una por gas ideal con el κ real (sin condensación) y otra por la expansión isoentrópica de equilibrio de la IF97 (con condensación). Tercero, el desobrecalentador opcional: un balance de masa y energía da el agua de inyección para llevar el vapor a la temperatura objetivo, por encima de la saturación según la aproximación mínima del fabricante. Cuarto, las líneas: diámetro interno mínimo aguas arriba y aguas abajo por el límite de velocidad, y la línea aguas abajo recorrida hasta el consumidor con fricción, accesorios y pérdida térmica.
Qué queda fuera
La calculadora no dimensiona la válvula reductora ni confirma el flujo crítico: la tarjeta de la reductora (caudal, P₁, P₂ y estado del vapor) va a la calculadora de válvula de control de vapor, donde decide la IEC 60534-2-1. El desobrecalentador se verifica solo termodinámicamente — atomización, longitud de evaporación, su propia pérdida de presión, rango de la boquilla y carga mínima quedan con el fabricante. La protección aguas abajo aparece como aviso; la válvula de seguridad se dimensiona en su propia calculadora.
Fórmulas y fundamentos
h₂ = h₁ → T₂ = T(P₂, h₁) (IAPWS-IF97) La válvula reductora conserva la entalpía específica h [kJ/kg]. El estado aguas abajo a la presión P₂ se obtiene de la IAPWS-IF97 a partir de (P₂, h₁): el vapor saturado o poco húmedo sale sobrecalentado; el vapor que entra húmedo, o el vapor seco por encima de unos 30 bar(a) — donde la entalpía del vapor saturado seco es máxima —, puede salir húmedo.
r_g = (2/(κ+1))^(κ/(κ−1)), κ = w²·ρ/p (en P₁) Primer modelo del tamizaje de flujo crítico. κ = exponente isoentrópico real del vapor de entrada, calculado por la IF97 a partir de la velocidad del sonido w [m/s], la densidad ρ [kg/m³] y la presión absoluta p [Pa]. Representa una expansión sin condensación.
r_e = P/P₁ que maximiza G = ρ(P, s₁)·√(2·(h₁ − h(P, s₁))) Segundo modelo: la relación que maximiza el flujo másico G [kg/(m²·s)] en una expansión isoentrópica de equilibrio por la IF97, admitiendo condensación. Si P₂/P₁ queda por debajo de las dos relaciones, los dos modelos indican flujo crítico; entre ellas, es posible y depende del modelo. Es un tamizaje genérico: la confirmación depende de la válvula (IEC 60534-2-1, xT o xTP).
ṁ_v·h_v + ṁ_a·h_a = (ṁ_v + ṁ_a)·h_alvo → ṁ_a = ṁ_v·(h_v − h_alvo)/(h_alvo − h_a) Balance de masa y energía. ṁ_v = caudal de vapor [kg/h]; h_v = entalpía del vapor después de la reductora (igual a la de entrada); ṁ_a = caudal de agua [kg/h]; h_a = entalpía del agua a su presión y temperatura; h_alvo = entalpía del vapor a la presión reducida y la temperatura objetivo. El agua evaporada suma caudal: la línea aguas abajo lleva ṁ_v + ṁ_a.
ΔT_ap = T_alvo − T_sat(P₂) ≥ ΔT_ap,min (fabricante) La temperatura objetivo debe quedar por encima de la saturación a la presión de trabajo. ΔT_ap,min es la aproximación mínima garantizada por el fabricante del desobrecalentador; sin ese dato, la calculadora solo exige que el objetivo esté por encima de la saturación y emite un aviso.
D_min = √(4·ṁ·v / (π·V_lim)) ṁ = caudal másico [kg/s]; v = volumen específico [m³/kg] del vapor a cada lado de la estación; V_lim = límite de velocidad de proyecto [m/s]. Aguas abajo, con la línea informada, la velocidad evaluada es la máxima a lo largo de la línea, porque la presión cae y el vapor se acelera hasta el consumidor.
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
- ISO 12241:1998 — pérdida térmica de la línea aguas abajo aislada (LOGOS implementa la edición de 1998)
- IEC 60534-2-1 — verificación definitiva del flujo crítico y del Kv, hecha en la calculadora de válvula de control de vapor
- NR-13 (Brasil) — referencia de documentación; LOGOS no realiza encuadramiento legal ni sustituye el código de construcción aplicable
Valores típicos de referencia
| Magnitud | Rango típico | Observación |
|---|---|---|
| Límite de velocidad predeterminado (D124) | 40 m/s saturado/húmedo · 70 m/s sobrecalentado | Criterio de proyecto de LOGOS, ajustable aguas arriba y aguas abajo. El vapor cuenta como sobrecalentado para esta elección cuando está al menos 1 K por encima de la saturación. |
| Entalpía máxima del vapor saturado seco | cerca de 30 bar(a) | Por encima de esa presión, hasta el vapor seco sale húmedo al reducirse; por debajo, solo sigue húmedo el vapor que ya entró húmedo. |
| Título mínimo en la línea aguas abajo | ≥ 0,95 declarado · 0,80–0,95 indicativo · < 0,80 no evaluado | Dominio del modelo bifásico homogéneo — criterio de LOGOS, no límite normativo. |
| Rugosidad predeterminada de la línea aguas abajo (D123) | 0,045 mm | Acero comercial; para líneas existentes, definirla según la condición de la tubería o calibrar con datos de campo. |
| Límite de aplicación del producto (D225) | hasta 100 bar(a) en la entrada | Límite de esta versión de la calculadora, no de la IF97. El agua de inyección debe ser líquida a su presión y estar por debajo de la presión crítica. |
Ejemplo resuelto
Reducción de 20 bar(g)/300 °C a 3 bar(g), 5.000 kg/h, con desobrecalentador a 150 °C
Datos de entrada
- Presión / temperatura de entrada
- 20 / 300 bar(g) / °C
- Caudal de vapor
- 5.000 kg/h
- Presión reducida (P₂)
- 3 bar(g)
- Temperatura objetivo / aproximación mínima del fabricante
- 150 / 5 °C / K
- Agua de inyección (temperatura / presión)
- 105 / 8 °C / bar(g)
- Línea aguas arriba (Di)
- 77,92 mm
- Línea aguas abajo (Di × L, 4 codos 90° + 1 válvula de compuerta)
- 154,05 × 60 mm × m
- Aislamiento aguas abajo (espesor, λ, aluminio oxidado, interior, 20 °C)
- 50 / 0,05 mm / W/m·K
- Presión requerida en el consumidor / margen de proyecto
- 2,8 / 0,1 bar(g) / bar
Resultados
- Vapor de entrada (T_sat / sobrecalentamiento)
- 214,9 / 85,1 °C / K
- Después de la reductora (T / sobrecalentamiento)
- 277,7 / 134,0 °C / K
- Relación P₂/P₁ (crítica: gas ideal / equilibrio IF97)
- 0,191 (0,547 / 0,546) — los dos modelos indican flujo crítico
- Agua de inyección
- 581,1 kg/h
- Vapor de salida (caudal · temperatura · aproximación)
- 5.581 · 150,0 · 6,3 kg/h · °C · K
- Reductora — vapor en P₁ (ρ₁ / κ₁)
- 8,396 / 1,294 kg/m³ / —
- Aguas arriba — Di mínimo / velocidad / límite
- 54,9 / 34,7 / 70 mm / m/s / m/s — cumple
- Aguas abajo — Di mínimo / velocidad máxima / límite
- 115,0 / 40,6 / 70 mm / m/s / m/s — cumple
- Presión en el consumidor (ΔP de la línea)
- 2,835 (0,165) bar(g) (bar)
- Veredicto de presión (margen disponible / exigido)
- cumple sin margen de proyecto (0,035 / 0,100) bar
La reducción de 20 a 3 bar(g) conserva la entalpía, así que el vapor que entra con 85,1 K de sobrecalentamiento sale a 277,7 °C, 134,0 K por encima de la saturación de 143,7 °C. La relación P₂/P₁ = 0,191 queda muy por debajo de las dos relaciones críticas (0,547 y 0,546): los dos modelos indican flujo crítico, y la confirmación y el Kv quedan para la calculadora de válvula de control, por la IEC 60534-2-1 — aquí conviene evaluar reducción en dos etapas. Para llevar el vapor a 150 °C el desobrecalentador inyecta 581,1 kg/h de agua a 105 °C; la salida queda 6,3 K por encima de la saturación, por encima de los 5 K mínimos informados. Esa viabilidad es solo termodinámica: atomización, longitud de evaporación, pérdida de presión del desobrecalentador y rango de la boquilla quedan con el fabricante. La línea aguas abajo lleva 5.581 kg/h y pide al menos 115,0 mm de diámetro interno; con 154,05 mm la velocidad máxima es 40,6 m/s, dentro del límite de 70 m/s. El consumidor recibe 2,835 bar(g): cumple los 2,8 bar(g) requeridos, pero la holgura de 0,035 bar no cubre el margen de proyecto de 0,1 bar — el veredicto es 'cumple sin margen de proyecto'. La calculadora también recuerda la protección aguas abajo: si aguas abajo no está diseñado para 20 bar(g), la válvula de seguridad debe pasar el caudal de la reductora totalmente abierta.
Errores comunes
- Informar presiones absolutas en lugar de manométricas. Entrada, salida y agua de inyección van en bar(g), como se leen en el manómetro; la presión atmosférica local es un campo aparte.
- Dimensionar la línea aguas abajo con el caudal de vapor de entrada. El agua evaporada en el desobrecalentador suma caudal, y el volumen específico crece con la reducción: aguas abajo casi siempre se necesita un diámetro mayor que aguas arriba.
- Llevar el objetivo del desobrecalentador hasta la saturación o ignorar la aproximación mínima del fabricante. No es posible desobrecalentar hasta la saturación: el agua no se evapora y sale como condensado.
- Agua de inyección sin presión suficiente. Debe superar la presión del vapor en el punto de inyección, con holgura para atomizar; de lo contrario, la calculadora marca el desobrecalentador como no viable.
- Tratar la relación crítica de la estación como verificación de la válvula. La franja entre gas ideal y equilibrio IF97 es un tamizaje; el flujo crítico se confirma por la IEC 60534-2-1 (xT, o xTP con reductores) en la válvula elegida. En flujo crítico, el ruido y la velocidad de salida suelen ser altos — considere reducción en dos etapas.
- Poner separador y purgador solo aguas arriba. Cuando la reducción deja el vapor húmedo, la humedad está en la salida: el separador y el purgador van aguas abajo de la reductora (y también aguas arriba, si la entrada es húmeda).
- Olvidar la protección aguas abajo. Si la tubería y los equipos aguas abajo no están diseñados para la presión aguas arriba, se requiere válvula de seguridad dimensionada para el caudal de la reductora totalmente abierta (falla abierta).
Preguntas frecuentes
¿Por qué el vapor sale sobrecalentado de una reductora?
Porque la reducción es isoentálpica: la entalpía se mantiene y la presión cae. A la presión menor la saturación es más baja, y la misma entalpía corresponde a vapor sobrecalentado. En el ejemplo, 20 bar(g)/300 °C reducido a 3 bar(g) sale a 277,7 °C, 134,0 K por encima de la saturación.
¿La reducción de presión siempre seca el vapor?
No. La entalpía del vapor saturado seco es máxima cerca de 30 bar(a). Por debajo, el vapor saturado seco sale sobrecalentado y solo sigue húmedo el vapor que ya entró húmedo; por encima, hasta el vapor seco puede salir húmedo. La humedad está en la salida, así que el separador y el purgador van aguas abajo de la reductora.
¿La calculadora confirma el flujo crítico en la válvula?
No. Hace un tamizaje con dos modelos genéricos para el estado de entrada — gas ideal con el κ real (sin condensación) y expansión isoentrópica de equilibrio de la IF97 (con condensación) — e informa si los dos indican flujo crítico, si es posible o si ninguno lo indica. La verificación definitiva depende de la válvula y se hace por la IEC 60534-2-1 (xT, o xTP con reductores) en la calculadora de válvula de control de vapor.
¿Qué significa 'desobrecalentador viable'?
Que el balance de masa y energía cierra y que el estado final existe por encima de la saturación, respetando la aproximación mínima informada y con el agua a una presión superior a la del vapor. El equipo no se verifica: diferencial mínimo de presión para atomización, longitud recta para evaporación completa, pérdida de presión del desobrecalentador, rango de control de la boquilla y capacidad en la carga mínima dependen del tipo y del fabricante.
¿Cómo se evalúa la presión en el consumidor?
La línea aguas abajo se recorre hasta el consumidor con el mismo modelo de la línea de vapor: fricción por Darcy-Weisbach con Colebrook, pérdidas localizadas de los accesorios y pérdida térmica del aislamiento por la ISO 12241. La presión de llegada P se compara con la requerida P_req y el margen M_P: cumple con margen si P ≥ P_req + M_P, cumple sin margen de proyecto si P_req ≤ P < P_req + M_P, no cumple si P < P_req. Si la presión se agota en la línea, el veredicto es 'no cumple'; si el título cae por debajo de 0,80, 'no evaluado'.
¿La calculadora dimensiona la válvula de seguridad aguas abajo?
No. Emite un aviso informativo: si la tubería y los equipos aguas abajo no están diseñados para la presión aguas arriba, se requiere válvula de seguridad dimensionada para el caudal de la reductora totalmente abierta (falla abierta), según el código aplicable y el fabricante. El dimensionamiento se hace en la calculadora de válvula de seguridad para vapor.
Glosario
- Estación reductora
- Conjunto que reduce la presión del vapor a la de un consumidor o red de menor presión; en esta calculadora, la válvula reductora, el desobrecalentador opcional y las líneas aguas arriba y aguas abajo.
- Reducción isoentálpica
- Expansión a través de la válvula sin intercambio de calor ni trabajo, en la que la entalpía específica se conserva (h₂ = h₁).
- Relación crítica de presiones
- Relación P₂/P₁ (absolutas) por debajo de la cual el caudal deja de depender de la presión aguas abajo. La calculadora la estima como una franja entre el gas ideal con κ real y la expansión isoentrópica de equilibrio de la IF97.
- Desobrecalentador
- Equipo que inyecta agua en el vapor sobrecalentado; el agua se evapora y enfría el vapor hasta la temperatura objetivo, por encima de la saturación.
- Aproximación a la saturación
- Diferencia entre la temperatura objetivo y la temperatura de saturación a la presión de trabajo; debe ser al menos la mínima garantizada por el fabricante.
- Di mínimo
- Menor diámetro interno que mantiene la velocidad dentro del límite de proyecto, con el caudal y el volumen específico de cada lado de la estación.
- Protección aguas abajo
- Válvula de seguridad exigida cuando aguas abajo no está diseñado para la presión aguas arriba, dimensionada para el caudal de la reductora totalmente abierta (falla abierta).