Consumo específico de energía en evaporadores: guía en kWh por tonelada
El consumo específico de energía que un diseñador debe prever va desde unos 620–700 kWh por tonelada de agua evaporada en una unidad de simple efecto (expresado como energía térmica equivalente de vapor), pasando por unos 200–225 kWh/t en un evaporador de cuatro efectos, hasta 15–40 kWh/t de electricidad en un sistema de recompresión mecánica de vapor (MVR). Esta guía entrega las fórmulas, las conversiones de unidades y tres ejemplos aritméticos completos para que pueda auditar cualquier oferta.
Conclusiones clave
- Un evaporador de simple efecto consume aproximadamente 620–700 kWh de energía equivalente de vapor por tonelada evaporada.
- Un tren de cuatro efectos baja el SEC térmico a unos 200–225 kWh/t al reutilizar el calor del vapor varias veces.
- El MVR usa solo 15–40 kWh/t de electricidad y suele tener el costo operativo más bajo.
- La economía de vapor, un calor latente de unos 2,257 kJ/kg y la eficiencia de caldera gobiernan todo cálculo energético.
- Precalentamiento de alimentación, elevación del punto de ebullición y ensuciamiento pueden añadir 10–30% al SEC teórico.
Qué es el consumo específico y de dónde sale la constante 627
El consumo específico (SEC) indica cuánta energía debe aportar un evaporador para evaporar una tonelada de agua. Es la cifra más útil para comparar diagramas, porque colapsa caudal, concentración y tipo de equipo en un solo número que se puede valorizar directamente contra su factura de servicios.
Se expresa en kWh por tonelada evaporada. Como 1 kWh equivale a 3,600 kJ, un SEC de 627 kWh/t es idéntico a 2,257 kJ/kg, y no es coincidencia: 2,257 kJ/kg es el calor latente de vaporización del agua a 100 °C y presión atmosférica. Esa cifra es el piso termodinámico de la evaporación atmosférica; ningún evaporador puede batirla y las unidades reales la superan por precalentamiento, pérdidas y uso no ideal del vapor.
La economía de vapor compara los kilogramos de agua evaporada con los de vapor vivo consumido, y es la inversa del SEC para unidades calentadas con vapor: una economía de 0.9 kg/kg corresponde a 627/0.9 ≈ 697 kWh/t, mientras una de 3.0 corresponde a 209 kWh/t. El MVR sustituye esa lógica por electricidad, así que allí hace falta una segunda base.
El calor latente varía suavemente con la presión —unos 2,360 kJ/kg cerca de 40 °C y 2,257 kJ/kg a 100 °C—, así que los evaporadores al vacío muestran un calor latente por kilogramo ligeramente mayor, aunque el tren completo gane por operar a menor temperatura.
Una advertencia que los ingenieros repiten siempre: cuando un proveedor cita un consumo específico, pregunte sobre qué base. El SEC térmico (vapor), el eléctrico (potencia del compresor) y el de combustible primario (tras la eficiencia de caldera o de red) difieren en factores suficientes para invertir una decisión de compra. Cada número de este artículo declara su base, y conviene exigir la misma disciplina a cualquier propuesta.
Cómo se calculan los kWh por tonelada evaporada
Método de economía de vapor (cribado): SEC (kWh/t) = 627 / E, donde E es la economía de vapor en kg de agua por kg de vapor vivo. La economía debe incluir ya las tolerancias por precalentamiento y pérdidas.
Método entálpico (riguroso): sume cada carga térmica y divida por el caudal de evaporación:
- Servicio de evaporación: Q_evap = V × λ, con V el caudal de agua evaporada y λ el calor latente a la presión de ebullición.
- Precalentamiento: Q_pre = F × cp × (T_ebullición − T_alimentación).
- Pérdidas y corrección por BPE: sume pérdidas por radiación y el calor extra que la elevación del punto de ebullición resta a la vaporización.
- Total: Q_total = Q_evap + Q_pre + Q_pérdidas, y SEC = Q_total ÷ V, convertido a kWh/t.
| Símbolo | Cantidad | Unidades | Valores típicos |
|---|---|---|---|
| SEC | consumo específico por tonelada evaporada | kWh/t | 15–40 (MVR, eléctrico); 130–700 (calentado con vapor) |
| E | economía de vapor, kg agua por kg vapor | kg/kg | 0.9–1.0 simple efecto; ≈0.75 × N para N efectos |
| λ | calor latente de vaporización del agua | kJ/kg | ≈2,257 a 100 °C; ≈2,320 a 70 °C; ≈2,360 a 40 °C |
| V | caudal de agua evaporada | kg/h | del balance de masa del servicio |
| F | caudal de alimentación | kg/h | del balance de masa de la planta |
| cp | calor específico del licor | kJ/(kg·K) | ≈4.18 agua pura; ≈3.5–4.0 salmueras con sal |
| ΔT_salto | salto de temperatura del compresor (MVR) | K | 5–15, fijado por BPE y ΔT de transferencia |
| η_comp | eficiencia isoentrópica del compresor | – | 0.70–0.80 en máquinas centrífugas industriales |
Una relación rápida de balance sustenta ambos métodos: para una alimentación F con fracción másica de sólidos x_F concentrada a x_P, el caudal evaporado es V = F × (1 − x_F/x_P). Acierte primero este número: todo cálculo energético posterior hereda sus errores.
Economía de vapor en múltiple efecto y consumo del MVR
Un tren de múltiple efecto encadena varios recipientes de modo que el vapor de un efecto calienta el siguiente, que opera a menor presión; cada efecto reutiliza una vez más el mismo kilogramo de vapor primario, y el SEC mejora casi en proporción al número de efectos: E ≈ 0.75 × N.
El factor 0.75 —y no 1.0 por efecto— es donde entra la realidad: cada efecto debe operar a menor temperatura que el anterior y la caída total disponible entre vapor y condensador es finita, comúnmente 60–90 K para todo el tren. Además cada efecto absorbe elevación del punto de ebullición, precalentamiento entre etapas y pérdidas por radiación. Por eso un tren de cuatro efectos entrega una economía cercana a 3.0 y no a 4.0, y por eso el sexto efecto añade menos que el quinto. La recompresión térmica de vapor (TVR) es un camino intermedio: un eyector de chorro de vapor arrastra vapor de baja presión y lo mezcla con vapor motriz de 6–12 bar, elevando la economía de un efecto a unos 1.3–1.7 kg/kg; es barata y casi sin mantenimiento, pero su economía queda fijada por la geometría del eyector.
Cálculo del MVR. El MVR trata al evaporador como bomba de calor: el vapor se comprime ligeramente —típicamente 5–15 K de salto de saturación— para condensar dentro de la misma superficie de calefacción. El único aporte continuo es la energía eléctrica del compresor. Con saltos pequeños, los COP de 15–35 son rutinarios, muy por encima de los 3–5 de las bombas de calor industriales de mayor salto. Dos fórmulas equivalentes: SEC_eléctrico ≈ 627 ÷ COP, o SEC = potencia al eje (kW) ÷ caudal de evaporación (t/h). El trabajo específico isoentrópico sale de w_s = [k ÷ (k − 1)] × R × T_1 × [(PR)^((k−1)/k) − 1], con k ≈ 1.33, R = 0.4615 kJ/(kg·K) y T_1 la temperatura de succión en kelvin; dividir entre la eficiencia isoentrópica (0.70–0.80) da el trabajo real al eje.
Dos correcciones prácticas: las pérdidas de motor y accionamiento añaden 3–7% entre eje y medidor; y la elevación del punto de ebullición sube el salto, porque si el licor hierve 4 K por encima del agua pura, el compresor debe producir una temperatura de condensación al menos 4 K mayor para el mismo ΔT de transferencia. Los licores concentrados con BPE de 5–10 K empujan el consumo real de MVR desde la adolescencia baja hacia 25–40 kWh/t.
Tres ejemplos resueltos
Todos usan el mismo servicio ilustrativo: alimentación de 10 t/h con 5% en peso de sólidos, concentrada a 20%, precalentada hasta su punto de ebullición de 100 °C por corrientes externas (el precalentamiento no se carga al evaporador).
Ejemplo 1 — simple efecto. Sólidos = 10,000 × 0.05 = 500 kg/h; producto al 20% = 500 ÷ 0.20 = 2,500 kg/h; V = 7,500 kg/h = 7.5 t/h. Con economía 0.9, vapor vivo = 7,500 ÷ 0.9 = 8,333 kg/h. Energía = 8,333 × 2,257 = 18.8 GJ/h ≈ 5,224 kW. SEC = 5,224 ÷ 7.5 = 697 kWh/t (comprobación: 627 ÷ 0.9 = 697). Con caldera al 90%, el SEC en combustible es 697 ÷ 0.90 ≈ 774 kWh/t. A 30 USD/t de vapor, la unidad quema 8.33 t/h de vapor: unos 250 USD/h antes de cualquier otro costo. El mínimo teórico es 7,500 × 2,257 = 16.9 GJ/h = 4,702 kW, o 627 kWh/t.
Ejemplo 2 — cuatro efectos. V = 7.5 t/h sin cambios. E ≈ 0.75 × 4 = 3.0 (un proveedor podría prometer 3.2–3.4 con destello de condensados; 3.0 es el valor defendible para cribado). Vapor vivo = 7,500 ÷ 3.0 = 2,500 kg/h, exactamente un tercio del simple efecto. Energía = 2,500 × 2,257 = 5.64 GJ/h ≈ 1,567 kW. SEC = 1,567 ÷ 7.5 = 209 kWh/t. Ahorro: 697 − 209 = 488 kWh/t, un 70% menos de vapor; a 30 USD/t son 5.83 t/h de vapor, unos 175 USD/h en cada hora de operación. El costo es capital y temperatura: los cuatro efectos comparten los mismos 60–90 K de ΔT total, así que cada uno ve solo 15–22 K y exige más área y más vacío.
Ejemplo 3 — MVR. El vapor sale saturado a 100 °C (101.3 kPa) y descarga condensando a 108 °C, con presión de saturación de unos 134 kPa; k = 1.33, eficiencia isoentrópica 75%, motor y accionamiento 95%. PR = 134 ÷ 101.3 ≈ 1.32. w_s = 4.03 × 0.4615 × 373 × [(1.32)^0.248 − 1]; con (1.32)^0.248 ≈ 1.071 el corchete es 0.071 y w_s ≈ 49.5 kJ/kg. Trabajo real = 49.5 ÷ 0.75 ≈ 66.0 kJ/kg; potencia al eje = 7,500 × 66.0 = 495,000 kJ/h ≈ 137.5 kW. Con 5% de pérdidas: 137.5 ÷ 0.95 ≈ 144.7 kW en el medidor, y SEC = 144.7 ÷ 7.5 ≈ 19.3 kWh/t. Comprobación: COP = 2,257 ÷ 66.0 ≈ 34.2 al eje, y 627 ÷ 34.2 ≈ 18.3 kWh/t, que sube a 19.3 tras las pérdidas. Añada 5–10 K de BPE y el salto crece a 13–18 K, casi duplicando el trabajo hacia 30–40 kWh/t: dimensione el compresor con la BPE de fin de campaña, no con la de alimentación limpia.
Qué eleva el consumo y cómo convertir bases
| Configuración | Economía (kg/kg) | SEC base vapor (kWh/t) | SEC base eléctrica (kWh/t) | Encaje típico |
|---|---|---|---|---|
| Simple efecto | 0.9–1.0 | 620–700 | – | Servicios pequeños, vapor muy barato, operación por lotes |
| TVR (efecto único + termocompresor) | 1.3–1.7 | 370–480 | – | Sitios con vapor motriz de 6–12 bar |
| Múltiple efecto, 2 cuerpos | 1.4–1.6 | 390–450 | – | Servicio continuo moderado |
| Múltiple efecto, 4 cuerpos | 2.8–3.2 | 196–225 | – | Servicio continuo mayor, capital barato |
| Múltiple efecto, 6 cuerpos | 4.2–4.8 | 131–149 | – | Servicio muy grande, vapor barato |
| MVR (salto 8 K, agua limpia) | COP ≈ 30–35 | ≈55–65 (equivalente primario) | 15–25 | Servicio mediano, electricidad a 0.05–0.10 USD/kWh |
| MVR (BPE alta, salto 13–18 K) | COP ≈ 15–20 | ≈100–130 (equivalente primario) | 25–40 | Salmueras concentradas, trenes ZLD |
Factores que elevan el SEC entre 10 y 30% o más: el precalentamiento de alimentación fría, que es el término más olvidado —calentar 10 t/h en 80 K exige 10,000 × 4.18 × 80 ≈ 3.34 GJ/h ≈ 929 kW, es decir 929 ÷ 7.5 ≈ 124 kWh/t, casi 18% del SEC del Ejemplo 1, recuperable casi gratis con intercambio contra condensado y concentrado—; la elevación del punto de ebullición, de 1–8 K en licores hidrometalúrgicos, que recorta la economía un 3–8% y en MVR suma directamente al salto; las pérdidas térmicas, de +2–5% por radiación, aislamiento imperfecto y venteo; y el ensuciamiento, con U cayendo 30–50% entre limpiezas, que obliga a más ΔT o menos producción.
Conversión entre vapor y electricidad. Una tonelada de vapor entrega ≈2,257 MJ ≈ 627 kWh de calor latente al condensar; el precio del vapor por tonelada dividido por 627 da el costo por kWh térmico (a 30 USD/t: 30 ÷ 627 ≈ 4.8 ¢/kWh). Con electricidad a 0.08 USD/kWh, el simple efecto cuesta ≈33.4 USD/t evaporada, el de cuatro efectos ≈10.0 USD/t y el MVR (19.3 kWh/t) ≈1.55 USD/t. El MVR gana salvo que la electricidad supere aproximadamente (209 × 0.0478) ÷ 19.3 ≈ 0.52 USD/kWh, tarifa que casi nadie paga. La sensibilidad inversa también importa: con vapor a 4 USD/t (caldera de calor residual), el tren de cuatro efectos baja a ≈1.33 USD/t y se vuelve competitivo. Corra la conversión con sus tarifas antes de fijar el diagrama: el ranking es propiedad del sitio, no de la tecnología.
Preguntas frecuentes
¿Cuántos kWh se necesitan para evaporar una tonelada de agua?
El mínimo termodinámico a presión atmosférica es 2,257 kJ/kg × 1,000 kg ÷ 3,600 = 627 kWh de energía térmica. Los evaporadores de simple efecto reales necesitan alrededor de 10% más por precalentamiento y pérdidas, mientras los diseños de múltiple efecto y MVR reciclan la calor latente tan eficazmente que su energía facturada es mucho menor: hasta 15–25 kWh de electricidad por tonelada en casos favorables de MVR.
¿Por qué la economía de vapor no alcanza el número de efectos?
Cada efecto debe operar más frío que el anterior y la caída total de temperatura entre vapor y condensador es finita. El precalentamiento entre efectos, la elevación del punto de ebullición, las pérdidas por destello y la radiación consumen parte de esa caída, así que un tren de N efectos logra típicamente unos 0.75 × N kilogramos por kilogramo de vapor en lugar del N ideal.
¿Debe citarse el SEC sobre base térmica o eléctrica?
Cite ambas y declare qué servicios usa cada configuración. El SEC térmico (kWh/t de vapor) sirve para trenes de múltiple efecto y TVR; el eléctrico (kWh/t) para MVR. Convertir a una base de costo común con sus tarifas de vapor y energía es la única forma justa de ordenar configuraciones, porque un kWh de vapor y un kWh de electricidad no valen lo mismo.