1.1 Definició

La generació industrial de vapor és el procés mitjançant el qual es produeix vapor a pressions per sobre de l’atmosfèrica, a partir de l’energia d’un combustible, o d’energia elèctrica.

El vapor produït s’utilitzarà posteriorment en diferents funcions de la fàbrica, com ara en l’aportació de calor en processos o en el moviment de màquines.

El vapor d’aigua constitueix el fluid energètic ideal per a la indústria, que necessita emprar calor a diversos nivells de temperatura, generalment entre els 90º C i els 260º C, que corresponen a 0,5 kg/cm² i 60 kg/cm², aproximadament.

L’elevada calor latent i la petita densitat d’aquest fluid fan que el vapor d’aigua sigui especialment efectiu en les operacions d’escalfament. El seu ús s’estén pràcticament a totes les unitats de processos químics.

1.2 Components

El generador de vapor consta de la caldera (vaporitzadors), i també del reescalfador, del reescalfador intermedi, del preescalfador de l’aigua d’alimentació (economitzador) i del preescalfador d’aire.

Pertanyen també a la instal·lació del generador de vapor les màquines auxiliars per a l’entrada de combustible, les bombes d’aigua d’alimentació, el ventilador, l’aspirador, l’extractor de pols, i també l’equip de medició i de regulació.

1.3 Classificació

Els generadors de vapor es classifiquen segons els criteris enumerats a continuació

• Disposició dels fluids: de tubs d’aigua (aquotubulars) o de tubs de fums (pirotubulars).
• Circulació dels fluids: de circulació natural, de circulació assistida i de circulació forçada.
• Transmissió de la calor: de convecció, de radiació o de radiació i de convecció.
• Combustible: de carbó (graella mecànica o carbó polvoritzat), de combustibles líquids, de combustibles gasosos, de combustibles especials (licor negre, bagàs, deixalles de fusta, etc.) i de recuperació de calor de gasos (amb o sense combustió addicional).
• Pressió de treball: subcrítics (de baixa pressió, de mitja pressió, d’alta pressió) o supercrítics.
• Tir: de fogar pressuritzat o de fogar equilibrat.
• Sistemes de suport: generadors suportats o generadors sospesos.
• Lloc de muntatge: muntats en taller o muntats in situ.
• Implantació: terrestres o marítims.
• Ubicació: intempèrie, semiautomàtics o d’operació manual.

1.4 Camps d’aplicació

Per a la distribució o el transport de calor s’utilitzen principalment tres tipus de fluids en funció dels requeriments o de les necessitats del procés: vapor, aigua o oli.

El vapor d’aigua és el fluid tèrmic més àmpliament utilitzat. La generalització del seu ús es basa en un conjunt de característiques singulars que el converteixen en pràcticament insubstituïble. Destaquen:

• Matèria prima barata i assequible.
• Ampli rang de temperatura.
• Ininflamable i no tòxic.
• Fàcilment transportable per canonada.
• Elevada calor de condensació.
• Elevada calor específica.
• Temperatura de condensació fàcilment regulable.

2.1 Potència d’un generador de vapor

La potència màxima permanent del generador de vapor és la màxima quantitat de vapor que cedeix el generador per hora, en servei permanent, en les condicions de pressió i de temperatura estipulades en el contracte de subministrament.

2.2 Transformació de l’aigua en vapor reescalfat

L’augment de la pressió i de la temperatura de vapor emprat en les instal·lacions de vapor contribueix a l’augment del rendiment de les instal·lacions i a la disminució de la despesa de combustible en la producció d’energia elèctrica.

Les propietats físiques de l’aigua i del vapor en relació amb la temperatura i la pressió es coneixen per via experimental i es resumeixen a les taules i al diagrama de Mollier.

2.3 Avaluació de les pèrdues d’un generador de vapor

Pèrdues per fums

Per a un mateix combustible i determinat excés d’aire (CO2 fix), les pèrdues pels fums disminueixen en minvar la temperatura dels gasos.

Aquestes pèrdues es poden reduir fins al 7% aproximadament en les millors condicions per a instal·lacions convencionals.

Pèrdues per radiació i per conducció

Les pèrdues per radiació i per conducció d’una caldera no es poden mesurar exactament. Són valors experimentals que depenen de la màxima càrrega continua de la caldera i del percentatge de càrrega amb què treballen.

Pèrdues per incremats

Per una banda es produeixen pèrdues per combustió incompleta d’incremats gasosos i d’hidrocarburs líquids i, d’altra banda, es produeixen pèrdues de calor per residus sòlids sense cremar.

Pèrdues per purga

Purga de caldera: procés d’extracció d’una certa quantitat d’aigua de l’interior de la caldera, per tal d’evitar la concentració excessiva dels sòlids dissolts per la seva operació, i també per donar sortida als sòlids que hi pugui haver en suspensió a l’aigua.

Si es realitza una purga excessiva es produeixen pèrdues de calor superiors a les normals i es requereix més aigua d’aportació i més energia de bombament per a aquesta aigua.

Si es purga en defecte la caldera, la concentració de sòlids de l’aigua de la caldera augmenta amb el consegüent perill d’arrossegament de sòlids.

Un sistema de purga continua aconsegueix una regulació constant de sòlids a l’aigua de la caldera fins al nivell desitjat i un aprofitament del vapor obtingut en la vaporització instantània de les purgues.

3.1 El circuit de vapor

El vapor que es genera a la caldera, mitjançant l’aportació d’energia a partir de combustibles, s’ha de transportar en canonades als llocs on es requereix energia calorífica.

Quan la vàlvula de sortida de la caldera s’obre, el vapor surt immediatament cap a la canonada de distribució. Com que aquesta, inicialment, és freda, el vapor li transmetrà calor. L’aire que envolta les canonades també és més fred que el vapor i, per tant, a mesura que el sistema s’escalfa comença a transferir calor a l’aire. Aquesta pèrdua de calor a l’atmosfera provoca que una part del vapor es condensi.

L’aigua formada per condensació cau a la part baixa de la canonada i discorre empesa pel flux de vapor fins als punts baixos de la canonada de distribució.

Per establir un flux continu de vapor que surt de la caldera s’ha de generar vapor contínuament. Així doncs, cal retornar aigua a la caldera per compensar la que s’està vaporitzant.

Si introduïm a la caldera aigua calenta en lloc de freda, caldrà afegir menys entalpia per portar l’aigua al punt d’ebullició, amb la consegüent reducció de la quantitat de combustible necessària per generar vapor. La condensació que es forma a les canonades de distribució i als equips de procés es pot utilitzar per a aquesta alimentació de la caldera amb aigua calenta.

3.2 Disseny de les xarxes de distribució de vapor

En el disseny d’una conducció de vapor s’han de considerar de manera simultània diversos aspectes del problema. Les fases més importants del càlcul són:

• Dimensionament de la línia de vapor.
• Disseny del traçat i dels accessoris.
• Selecció de la qualitat i del gruix de l’aïllament.
• Dimensionament de la línia de retorn de la condensació.

A la taula següent es mostra, en percentatges, l’increment potencial en eficiència que es pot assolir en aplicar algunes mesures d’eficiència energètica en les diferents àrees específiques de generació, operació i de manteniment i distribució.

5.1 Oportunitats en la generació de vapor

La major part de les pèrdues d’energia d’una caldera són causades per una combustió incompleta.

Les tres estratègies per minimitzar les pèrdues de calor en els gasos de combustió són:

• Minimitzar l’excés d’aire en la combustió.
• Mantenir netes les superfícies d’intercanvi de calor.
• Quan es justifiqui, agregar un equip de recuperació de calor dels gasos de combustió.

L’eficiència d’una caldera s’incrementa en un 1% per cada 15% de reducció de l’excés d’aire o per la reducció d’un 1,3% d’oxigen o per una reducció de 4,5º C en la temperatura dels gasos de combustió.

Mesures d'eficiència energètica:

1. Utilitzeu les pèrdues de calor per preescalfar l’aigua d’alimentació de la caldera.
2. Apliqueu sempre vapor al procés que utilitza els nivells més baixos possibles de pressió i de temperatura.
3. Expandiu sempre el vapor des d’un nivell alt de pressió a un nivell baix amb els mitjans més eficients possibles.

5.2 Oportunitats en l’operació i el manteniment

És fonamental parar esment al manteniment i a l’operació.

Alguns exemples d’oportunitats que es poden realitzar són:

Tractament d’aigua

Si l’aigua d’alimentació de la caldera no es tracta adequadament, les incrustacions poden reduir-ne l’eficiència fins a un 10% a 12% i poden, fins i tot, ser perilloses per a la instal·lació.

Retorn de la condensació

Addicionalment, es requereix entre el 15% i el 1 % de l’energia de la caldera des del sistema de generació i de distribució de vapor per reescalfar cada mig litre d’aigua freda de reposició.

Controladors de càrrega

Els sistemes de control distribuït digital basats en ordinadors poden allargar la vida útil de la caldera. Es poden acoblar controls de cremadors múltiples amb el control d’ajustament d’aire que pot donar com a resultat un estalvi de combustible del 3% al 5%.

Mesures d'eficiència energètica:

1. Revisar les trampes de vapor i de condensació i assegurar que la condensació es retorna eficientment.
2. Instal·lar mesuradors i portar registres de cap a on va el vapor. Fer inspeccions del sistema general de distribució i de cada un dels processos individuals per mantenir un bon balanç de vapor.

5.3 Sistema de distribució de vapor

Tenir cura del sistema de distribució de vapor en dóna una de les millors oportunitats d’estalviar. El cost del manteniment a les trampes de vapor i el fet de revisar que no existeixin fuites a les unions de les canonades i a les vàlvules, requereix una inversió de capital molt petita o gairebé nul·la.

Fuites de vapor

Eliminar les fuites és una oportunitat d’estalviar energia i diners i, a més, és molt simple i el cost és molt baix.

Trampes de vapor

Quan no es té un programa de manteniment per a les trampes de vapor, és habitual trobar que, a la instal·lació, d’un 15% a un 20% de les trampes funcionen inadequadament tot el temps.

Aïllaments

Existeix un rang d’estalvi potencial des del 3% fins a valors tan alts com el 13% del total de gas natural utilitzat de mitjana.

Mesures d'eficiència energètica:

1. Establiu un programa per regular la inspecció, la prova i la reparació de les trampes de vapor. El personal de manteniment i d’operació haurà d’haver rebut la formació adequada en les tècniques per a fer proves a les trampes de vapor. Quan calgui fer proves d’ultrasons, contracteu personal adequadament entrenat.
2. Reviseu que no existeixin fuites de vapor a les canonades.
3. Reviseu l’operativitat de les vàlvules de control.
4. Manteniu un sistema rutinari per identificar línies de vapor que són poc o rarament utilitzades i que es puguin eliminar del servei.

Informació complementaria:

Vegeu el catàleg de Generació de vapor i el catàleg de Calderes de vapor.