Steam

Mezclador agua-vapor: caudal de vapor en la inyección directa en línea y en la estación de agua caliente

En la inyección directa el vapor condensa dentro del líquido y entrega toda su entalpía, sin superficie de intercambio: el consumo sale del balance de energía ṁv·hv + ṁl·hl,e = ṁsal·hsal, con entalpías por IAPWS-IF97 y el condensado incorporado al producto como agua a la temperatura de salida. La calculadora cubre el inyector en línea (caudal de líquido dado) y la estación de mezcla con manguera (caudal de agua caliente dado) y verifica lo que limita la operación: la presión para que el vapor entre y la saturación a la salida para que condense.

Cuándo usar

Úsela para estimar el vapor de un inyector que calienta una corriente de agua o de otro líquido en línea, o de estaciones de mezcla vapor-agua que entregan agua caliente en la manguera. En el modo en línea, informe el caudal máximo del líquido, la presión en el punto de inyección, las temperaturas de entrada y salida y, de preferencia, la operación mínima — es la que define el rango de vapor que el inyector debe controlar. En el modo estación, informe el caudal de agua caliente por estación, las presiones de agua fría y de salida y cuántas estaciones abren al mismo tiempo. Los datos del fabricante (ΔP mínimo del inyector, subenfriamiento mínimo, turndown, presión mínima de vapor de la estación, diferencia máxima vapor − agua) no tienen valor por defecto: sin ellos el resultado sale como Cumple con pendientes. La salida alimenta la Línea o la Red de vapor con caudal máximo con margen, caudal mínimo y presión requerida en el consumidor.

Qué limita un mezclador agua-vapor

En la inyección directa el vapor no intercambia calor a través de una pared: condensa dentro del líquido y entrega toda su entalpía. Por eso el cálculo prescinde de área de intercambio, UA y purgador, y el consumo sale de un balance de energía con entalpías de IAPWS-IF97. Lo que limita la operación son dos condiciones de presión: el vapor debe entrar (presión por encima de la presión local más el ΔP mínimo del inyector, con margen para la válvula de control) y debe condensar (salida por debajo de la saturación a la presión del punto de inyección).

En línea o estación

En el inyector en línea el caudal de líquido es dato; la calculadora entrega el vapor en la operación máxima y en la mínima, el caudal de salida con la fracción de condensado y el rango de vapor a comparar con el turndown del inyector. En la estación de mezcla el caudal de agua caliente es dato; salen el vapor y el agua fría por estación, y la red recibe el vapor de las estaciones en uso simultáneo, con caudal mínimo cero.

Datos del fabricante y situación

ΔP mínimo, subenfriamiento mínimo, turndown, presión mínima de vapor de la estación y diferencia máxima vapor − agua vienen del catálogo del equipo elegido y no tienen valor por defecto. Sin ellos el resultado sale como Cumple con pendientes; con ellos, cada verificación aprueba o reprueba. El margen de proyecto multiplica solo el caudal enviado a la red de vapor.

Fórmulas y fundamentos

Carga térmica del líquido (en línea) Q = ṁl·(hl,sal − hl,e) + Qpérdidas

Q = carga [kW]; ṁl = caudal másico del líquido [kg/s]; hl,e y hl,sal = entalpías del líquido a la entrada y a la salida [kJ/kg] — para agua, por IAPWS-IF97 a la presión local; para otro líquido, cp·(Tsal − Te) con el cp medio informado; Qpérdidas = pérdidas constantes opcionales [kW]. Un caudal volumétrico de agua pasa a másico con la densidad a la temperatura de entrada de cada escenario.

Caudal de vapor inyectado (en línea) ṁv = Q / (hv − hc), hc = h_agua(Tsal, Plocal), ṁsal = ṁl + ṁv

hv = entalpía del vapor a la entrada de la válvula [kJ/kg] (saturado seco, o la real si está sobrecalentado); hc = entalpía del agua condensada a la temperatura de salida y la presión del punto de inyección [kJ/kg]. No hay h_fg aislado ni purgador: el condensado sale en el producto, y el caudal de salida es líquido más vapor.

Dilución del producto dilución = ṁv / ṁsal · 100%

Fracción del caudal de salida que vino del vapor. Para otro líquido, el balance admite el producto con el cp informado y el condensado como agua, sin calor de mezcla; el porcentaje no valida si el proceso acepta el agua incorporada.

Estación de mezcla (agua caliente con manguera) ṁv = ṁcaliente·(hcaliente − hfría) / (hv − hfría), ṁfría = ṁcaliente − ṁv

ṁcaliente = caudal de agua caliente por estación [kg/h]; hfría = entalpía del agua fría a la presión de alimentación (cuando se informa y está por encima de la presión de salida; el estrangulamiento hasta la mezcla es isentálpico); hcaliente = entalpía del agua caliente a la presión de salida. Para la red: ṁv,red = ṁv·N_simultáneas·(1 + margen), con caudal mínimo cero.

Subenfriamiento a la salida ΔTsub = Tsat(Plocal) − Tsal > 0

Distancia entre la temperatura de salida y la saturación a la presión del punto de inyección (en la estación, la presión de salida). Cero o negativo: la mezcla hierve, el vapor no condensa por completo y el consumo no se calcula. El mínimo exigido es dato del fabricante; cumplirlo satisface su criterio, no modela la condensación dentro del inyector.

Presión requerida y rango de control (en línea) Preq = Plocal + ΔPmín, Pvapor > Preq; rango = ṁv,máx / ṁv,mín ≤ turndown

ΔPmín = diferencial mínimo del inyector sobre la presión local, del fabricante [bar]. Preq está a la entrada del inyector, después de la válvula de control; la alimentación debe quedar estrictamente por encima para que sobre diferencial en la válvula, cuyo Cv se verifica en la Línea o la Red de vapor. El rango de vapor entre la operación máxima y la mínima se compara con el turndown del inyector.

Normas y métodos

IAPWS R7-97(2012) — IAPWS-IF97: entalpías, saturación y densidad del agua y del vapor
Spirax Sarco, The Steam and Condensate Loop — Block 2 (inyección directa de vapor; referencia técnica de contraste)
NR-13 (Brasil) — referencia de documentación e interfaz con el profesional legalmente habilitado; LOGOS no realiza encuadramiento legal

Valores típicos de referencia

Magnitud	Rango típico	Observación
Subenfriamiento a la salida	> 0 K	Condición física verificada por LOGOS: cero o negativo es error y el consumo no se calcula. El mínimo viene del fabricante del inyector o de la estación, sin valor por defecto (D204).
Presión del vapor a la entrada de la válvula (en línea)	> Plocal + ΔPmín	Estrictamente por encima, para que sobre diferencial en la válvula de control (D205). Sin el ΔP mínimo del fabricante, la presión requerida para la red no se define.
Rango de vapor máx/mín (en línea)	≤ turndown del inyector	Turndown informado por el fabricante, ≥ 1 (D206). Por encima, evaluar dos inyectores en paralelo u otro rango de operación.
Diferencia vapor − agua fría (estación)	\|Pvapor − Pagua\| ≤ máxima del fabricante	La válvula mezcladora solo regula con ambas presiones próximas (D207). El agua fría también debe llegar por encima de la presión de salida.
Margen de proyecto	0% a 100%	Multiplica solo el caudal enviado a la red de vapor; consumo y balances usan la carga real (D185, D208).
Presión del vapor	hasta 100 bar(a)	Límite de producto de LOGOS Steam; el vapor sobrecalentado no puede estar por debajo de la saturación.
Caudal mínimo para la red (estación)	0 kg/h	Consumo intermitente: la estación solo consume con la manguera abierta.

Ejemplo resuelto

Inyector en línea calentando 20 m³/h de agua de 15 °C a 75 °C con vapor a 8 bar(g)

Datos de entrada

Aplicación / líquido: En línea / agua (IF97) -
Presión del vapor a la entrada de la válvula: 8 (saturado seco) bar(g)
Presión en el punto de inyección: 3 bar(g)
Caudal máximo / mínimo del líquido: 20 / 8 m³/h
Temperatura de entrada / salida: 15 / 75 °C
Margen de proyecto: 10 %
Datos del fabricante (ΔP mín., subenfriamiento mín., turndown): no informados -

Resultados

Caudal másico del líquido (máximo) / Δh: 19.985 / 250,9 kg/h / kJ/kg
Carga térmica (máxima / mínima): 1.392,8 / 557,1 kW
Entalpía del vapor / del agua condensada a la salida: 2.773,1 / 314,3 kJ/kg
Vapor en la operación máxima / mínima: 2.039,3 / 815,7 kg/h
Caudal de salida (operación máxima): 22.024 kg/h (condensado 9,3%)
Subenfriamiento a la salida: 68,7 K (Tsat 143,7 °C a 3 bar(g))
Rango de vapor máx/mín: 2,5:1 -
Caudal máximo para la red (con margen): 2.243,2 kg/h
Situación: Cumple con pendientes -

El vapor saturado a 8 bar(g) entra con 2.773,1 kJ/kg y sale como agua a 75 °C con 314,3 kJ/kg; cada kilo de vapor entrega la diferencia al líquido. Los 20 m³/h de agua (19.985 kg/h) piden 1.392,8 kW, por lo tanto 2.039,3 kg/h de vapor en la operación máxima y 815,7 kg/h en la mínima. La corriente de salida crece a 22.024 kg/h: el 9,3% es condensado incorporado — irrelevante para agua, decisivo si el producto fuera otro líquido. Como la temperatura de entrada es la misma en los dos escenarios y no hay pérdidas, el rango de vapor (2,5:1) sigue la razón de los caudales de líquido. Con 3 bar(g) en el punto de inyección la saturación queda en 143,7 °C, y la salida a 75 °C tiene 68,7 K de subenfriamiento: la mezcla no hierve. La red recibe 2.243,2 kg/h (2.039,3 kg/h + 10%) y 815,7 kg/h en la mínima. El resultado es Cumple con pendientes porque faltan los tres datos del fabricante: sin el ΔP mínimo la presión requerida para la red no se define, y el subenfriamiento y el rango de 2,5:1 no se comparan con los límites del inyector.

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Errores comunes

Informar la presión de la red de vapor como presión local. La presión local es la del líquido en el punto de inyección: fija la saturación a la salida y la presión que el vapor debe vencer.
Olvidar que el vapor necesita diferencial para la válvula de control. La alimentación debe quedar estrictamente por encima de la presión local más el ΔP mínimo del inyector; la igualdad no deja ΔP para la válvula.
Pedir una salida demasiado caliente para la presión del punto de inyección. Con la manguera abierta (0 bar(g)) la saturación queda cerca de 100 °C; sin subenfriamiento la mezcla hierve, hay ruido y golpe, y el consumo no se calcula.
Tratar la inyección como si no sumara masa. El condensado pasa a ser producto: el caudal de salida es mayor que el del líquido, y para otro líquido esa dilución debe ser aceptable para el proceso.
No informar la operación mínima. Sin ella el rango de vapor no se calcula y el turndown del inyector no se verifica — justo donde un inyector demasiado grande deja de controlar.
En la estación, dimensionar la red para una sola estación cuando varias abren a la vez. La red recibe el vapor por estación por las estaciones en uso simultáneo.
Esperar un valor de catálogo por defecto. ΔP mínimo, subenfriamiento mínimo, turndown, presión mínima de la estación y diferencia vapor − agua son del equipo elegido; sin ellos el resultado queda con pendientes.

Preguntas frecuentes

¿Cómo obtiene la calculadora el caudal de vapor de un inyector?

Por el balance de energía de la inyección directa: el vapor condensa en el líquido y sale como agua a la temperatura de salida y la presión local, entonces ṁv = (ṁl·Δhl + Qpérdidas)/(hv − hc). Las entalpías vienen de IAPWS-IF97. El vapor llega saturado seco (premisa D169: separador con purgador antes de la válvula), salvo que se informe la temperatura de sobrecalentamiento — en ese caso todo el sobrecalentamiento va al líquido. Las pérdidas son opcionales, en kW constantes.

¿Por qué el caudal de salida es mayor que el caudal de líquido?

Porque en la inyección directa el condensado pasa a formar parte del producto: ṁsal = ṁl + ṁv. En el ejemplo, 19.985 kg/h de agua salen como 22.024 kg/h, con 9,3% de condensado. Para otro líquido la calculadora muestra esta dilución como aviso, pero no evalúa si el proceso acepta el agua incorporada. El vapor inyectado tampoco retorna como condensado: en el balance de la planta aparece como reposición de agua de la caldera.

¿Qué es el subenfriamiento a la salida y por qué bloquea el cálculo?

Es Tsat(Plocal) − Tsalida. Si es cero o negativo, el agua de salida estaría en saturación o por encima: el vapor no condensa por completo, hay vaporización, ruido y golpe, y la calculadora no calcula el consumo. Con margen positivo, aún compara el valor con el subenfriamiento mínimo del fabricante; sin ese dato, la verificación queda pendiente. El margen del fabricante es criterio de verificación, no un modelo de la condensación dentro del inyector.

¿Qué presión de vapor necesita el inyector en línea?

La presión requerida es la presión local más el ΔP mínimo del inyector, a la entrada del inyector y después de la válvula de control. La presión del vapor a la entrada de la válvula debe quedar estrictamente por encima, para que sobre diferencial en la válvula. Vapor por debajo de la propia presión local es error. Es una verificación preliminar: el Cv de la válvula se verifica en la Línea o la Red de vapor, que reciben esta presión requerida.

¿Cómo funciona el modo estación de mezcla?

Se informa el caudal de agua caliente por estación, y el vapor y el agua fría salen de los balances de masa y energía. Ejemplo: 30 L/min de agua a 65 °C a partir de agua fría a 20 °C y 4 bar(g), vapor saturado a 5 bar(g) y salida a 0 bar(g) piden, por estación, 124,0 kg/h de vapor y 1.641 kg/h de agua fría para 1.765 kg/h de agua caliente (85,6 kW). Con 2 estaciones simultáneas la red recibe 248,1 kg/h, o 272,9 kg/h con 10% de margen, y el caudal mínimo es cero. La salida a 0 bar(g) satura a 100,0 °C, dejando 35,0 K de subenfriamiento; la diferencia vapor − agua de 1 bar queda pendiente hasta informar la máxima del fabricante.

¿La calculadora sirve para otro líquido además del agua?

Sí, solo en el modo en línea, con cp medio informado (y densidad, si el caudal es volumétrico). El producto usa ese cp y el condensado entra como agua, sin calor de mezcla; esto admite producto compatible con el agua, mezcla completa y propiedades que no cambian con la dilución. El subenfriamiento se calcula con la saturación del agua a la presión local; la ebullición del propio producto no se verifica, porque la calculadora no tiene su presión de vapor.

¿Qué no hace esta calculadora?

Estima el consumo y verifica presión, saturación a la salida, turndown y diferencia vapor − agua contra datos del fabricante. No selecciona el inyector, la válvula mezcladora, el dispositivo de seguridad térmica ni la manguera; no calcula el Cv de la válvula (eso se hace en la Línea o la Red de vapor); no modela la condensación dentro del inyector; y no cubre la inyección por sparger en tanque, fuera de esta versión. El vapor de alimentación está limitado a 100 bar(a).

Glosario

Inyección directa de vapor: Calentamiento en el que el vapor se introduce en el propio líquido y condensa en él, entregando toda su entalpía; no hay superficie de intercambio, UA, purgador ni stall.
Inyector en línea: Mezclador instalado en la tubería que calienta un caudal de líquido dado; el vapor se controla con una válvula de control de temperatura antes del inyector.
Estación de mezcla: Conjunto que mezcla vapor y agua fría mediante una válvula mezcladora y entrega agua caliente en la manguera; consumo intermitente, solo con la manguera abierta.
Subenfriamiento a la salida: Tsat a la presión del punto de inyección menos la temperatura de salida. Debe ser positivo para que el vapor condense; el mínimo exigido es dato del fabricante.
Dilución (condensado incorporado): Porcentaje del caudal de salida que vino del vapor condensado. No indica si el proceso acepta el agua incorporada.
ΔP mínimo del inyector: Diferencial mínimo de presión sobre la presión local exigido por el fabricante; sumado a la presión local, da la presión requerida a la entrada del inyector.
Turndown del inyector: Razón máxima entre el caudal de vapor máximo y el mínimo que el inyector controla, según el fabricante; se compara con el rango entre la operación máxima y la mínima.
Cumple con pendientes: Situación en la que el consumo se calculó, pero falta un dato esencial del fabricante o hay un punto de atención; una verificación reprobada lleva a No cumple / no viable.