1.1 Introducció

La calor residual és la calor continguda en els productes i en els subproductes d'un procés, que eleva la seva temperatura a nivells superiors als adequats per a la seva emissió o emmagatzematge. Aquesta calor es pot aprofitar de manera que es compleixin dos objectius simultàniament:

• Recollir i distribuir la calor per reutilitzar-la en el mateix equip o en uns altres.
• Disminuir la temperatura d'emissió de fluids de manera que es redueixi la contaminació tèrmica de la planta.

La calor residual en els efluents dels processos industrials suposa una important pèrdua d'energia tèrmica en la indústria. L'aprofitament d'aquesta calor augmenta significativament l'eficiència energètica dels equips i l'eficiència global de la planta.

Com més gran sigui la temperatura de la font de calor residual, major serà la capacitat d'aprofitament d'aquesta calor.

En general, en una planta, els equips susceptibles de ser millorats amb mesures de recuperació de calor residual són múltiples:

• Forns elèctrics i de gas.
• Calderes de tot tipus (gas, gasoil, biomassa, etc.).
• Assecadors.
• Evaporadors.
• Compressors.
• Sistemes de refrigeració.
• Turbines.
• Motors.
• Instal·lacions de cogeneració.

1.2 Línies d'aprofitament

Les línies d'aprofitament de calor residual són fonamentalment dues:

Recuperació de la calor residual de gasos de combustió. Aproximadament, una disminució de 20º C en la temperatura d'emissió d'aquests gasos implica un augment del rendiment energètic d'una caldera d'un 1%. Atès que els gasos de combustió surten molt calents, la possible reducció de la temperatura és gran i s’assoleixen estalvis significatius.

Recuperació de la calor residual d'altres fluids. En aquest punt s'inclou l'aprofitament de la calor d'aigües residuals calentes procedents de processos de refrigeració d'equips. Les possibilitats d'aprofitament són menors i les temperatures són molt menors que en el cas de gasos de combustió.

2.1 Recuperadors de gasos de combustió

Són els equips dissenyats per a la recuperació de la calor residual dels gasos de combustió.

Bàsicament es poden dividir en dos tipus:

• Economitzadors, en què s'escalfa aigua amb la calor dels gasos.
• Economitzadors, en què s'escalfa aigua amb la calor dels gasos.

Escalfador d'aire

És un equip auxiliar important en calderes i en forns industrials i funciona recuperant la calor sensible dels gasos de sortida, tant per reutilitzar-lo en el mateix equip, com per a dur-lo a una altra zona de la planta.

El preescalfament de l'aire produeix els efectes següents:

• Es redueixen les pèrdues de calor en els gasos de combustió i s’estalvia aproximadament un 1% de combustible per cada 20º C de reducció de la temperatura d'aquests gasos.
• Augmenta la temperatura de flama a la zona de combustió i s’incrementa la calor transferida per radiació i la quantitat de vapor produït amb un excés d'aire comburent menor.
• Alguns combustibles només es poden cremar amb preescalfament de l'aire, com és el cas del carbó.

2.2 Rosada àcida

En el procés de combustió, el sofre contingut en el combustible s’oxida en SO2, que es pot oxidar encara més fins a SO3. El triòxid de sofre té gran tendència a combinar-se amb aigua per formar àcid sulfúric, que roman dissolt en l'aigua, amb gran poder corrosiu.

Si la temperatura baixa massa, es pot arribar al punt de rosada d'aquesta dissolució, i es condensen gotes de concentració alta, a causa de l’equilibri.

El fenomen de la rosada àcida fa necessari arribar a un valor òptim de la reducció de la temperatura dels gasos, tot equilibrant l'estalvi energètic que suposa recuperar més calor, amb la despesa conseqüència de reduir la vida útil dels tubs per corrosió.

2.3 Calor sensible i calor latent

La calor sensible és la calor que s'empra per variar la temperatura d'un cos, en aquest cas aigua o fluid tèrmic. Està relacionada amb la calor específica, que en el cas de l'aigua líquida és d’1 kcal/kg º C.

La calor latent és la calor emprada per produir un canvi d'estat en un cos, com ara la vaporització de l'aigua, la calor latent de vaporització/condensació de la qual és de 540 kcal/kg (a 100º C).

3.1 Economitzadors de calderes

Eleven la temperatura de l'aigua que alimenta la caldera obtenint un estalvi de combustible a la llar.

Estan formats, bàsicament, per un feix de tubs agrupats convenientment, per l'interior dels quals circula l'aigua que s’ha d’escalfar, mentre que els gasos de combustió banyen la superfície exterior.

Els tubs tenen quatre conformacions fonamentals, que els fan aptes per a una funció o una altra:

• Tubs AESS, d'acer estirat sense aletes. S'empren de manera general quan la temperatura dels gasos és molt alta, amb grans salts tèrmics entre les parets del tub i gran transferència de calor.
• Tubs AA, d'acer estirat amb aletes transversals d'acer. S'empren en qualsevol procés de transferència de calor sempre que no hi hagi risc de corrosió per rosada àcida.
• Tubs F, de ferro colat amb aletes. S'obtenen per fosa directa de la peça. Major resistència a la corrosió que l'acer (fins a vint vegades més gran). Van ser els més emprats en el passat, però el seu ús està en declivi per la seva baixa resistència mecànica, que no els fa aptes per a economitzadors amb vaporització.
• Tubs AF, d'acer estirat recoberts de peces de ferro colat. Combinen la resistència mecànica de l'acer amb la resistència a la corrosió del recobriment de ferro. Són els més utilitzats en l'actualitat.

Per evitar el fenomen de la rosada àcida, s'ha d'operar amb les temperatures mínimes següents:

3.2 Sistemes bi-transfer

En aquests sistemes, la calor no flueix des dels gasos a l'aigua directament, sinó que s'utilitza un fluid portador que transfereix la calor de l'un a l’altre.

Són molt indicats quan, per la localització física dels dos fluids fred i calent, no és possible un contacte directe entre ells. L’aïllament adequat de la canonada i una bomba són suficients per transportar la calor residual salvant grans distàncies.

El fluid portador serà aigua sempre que les condicions d'operació ho permetin (menys de 200º C, ja que temperatures superiors impliquen una pressió difícil de mantenir). Quan no sigui així s'emprarà un oli tèrmic.

Els tubs utilitzats per a l'intercanvi són AF, en el cas que el combustible contingui sofre, i AA, si n’està exempt.

3.3 Condensació de vapors d'aigua residuals en assecadors

Els gasos procedents d’assecadors surten a alta temperatura i contenen un alt grau d'humitat en estat de vapor, de manera que se’n pot recuperar tant calor sensible com calor latent de condensació.

L'intercanvi es pot dur a terme de dues maneres:

• Mètode directe. Els gasos i l'aigua que s’ha d’escalfar es barregen físicament i s’arriba a assolir l'equilibri tèrmic.
• Mètode indirecte. L'intercanvi es fa a través d'uns tubs, on condensa parcialment la humitat del gas d'assecada.

En ambdós casos es necessita un sistema de recollida de l'aigua condensada.

3.4 Tubs tèrmics

Un tub tèrmic és el conjunt de dos tubs concèntrics segellats, de manera que el fluid que conté en el seu interior no en pot sortir. Aquest fluid portador és conduït d'un extrem a un altre per efecte de la capil·laritat, i pot ser tant aigua com fluids orgànics, fins i tot metalls com mercuri o sodi per a aplicacions especials.

Si se subministra calor en un extrem, el fluid portador s'evapora i passa a la part central del tub per capil·laritat, i flueix després per efecte de la pressió cap a l'altre extrem, on condensa i cedeix la seva calor latent a un altre fluid, per tornar finalment a l'espai entre tubs per capil·laritat.

Per tant, els bancs de tubs tèrmics s'han de col·locar amb un extrem al focus calent (gas de combustió) i l’altre al focus fred (aigua o aire a escalfar).

3.5 Escalfadors d'aire comburent en calderes, forns i assecadors

Existeixen nombrosos tipus d’escalfadors, que poden treballar en diferents rangs de temperatura:

1. Escalfadors de tubs llisos d'acer. Consisteixen en un feix de tubs continguts en una carcassa exterior. Els gasos circulen per l'interior dels tubs i l'aire per l'exterior a contracorrent.



2. Escalfadors de tubs d'acer amb superfícies esteses. La utilització d'aletes permet reduir el volum total de l’escalfador.
3. Escalfadors de ferro colat amb aletes. S'utilitzen tubs de secció rectangular col·locats horitzontalment. L'aire flueix per l'interior.



4. Escalfadors de vidre de borosilicat. Per a baixes temperatures dels gasos, aquests escalfadors presenten una sèrie d'avantatges com l'alta transferència de calor (no es produeixen incrustacions a causa de la baixa rugositat), la resistència a la corrosió i la facilitat de neteja. Com a desavantatges hi ha la fragilitat del vidre i les dilatacions tèrmiques.
5. Escalfadors d'acers refractaris. S'utilitzen per a altes temperatures i són feixos de tubs que poden transmetre calor per convecció, per radiació o per una combinació de les dues. En el cas dels recuperadores de radiació, cal anar amb compte que la temperatura dels gasos sigui constant, ja que la calor emesa és proporcional a la quarta potència d'aquesta temperatura, i petites variacions resultarien en grans canvis en la temperatura de l'aire escalfat. Per tant, no són aptes per a forns discontinus.
6. Regeneratius. Consisteixen en una estructura metàl·lica rotativa de superfície estesa per acumular calor més ràpidament. El gir posa les cel·les en contacte amb els focus calent i fred alternativament, transportant així la calor.
7. Regeneradors ceràmics. Consten de dues zones plenes de maons ceràmics. Al principi, els gasos travessen una de les zones i escalfen els maons, mentre que l’aire passa per l'altra zona. Després el flux s'inverteix i és l'aire el que creua per la zona de maons calents, absorbeix calor i els refreda. El procés es repeteix alternativament. Poden gestionar gasos corrosius a altes temperatures.

3.6 Preescalfament del producte dels forns

Els gasos de sortida dels forns es poden recircular a contracorrent de manera que preescalfin el producte en una cambra de preescalfament. Així se’n recupera la calor sensible en una proporció més gran abans d'escapar per la xemeneia.

3.7 Bomba de calor

Serveix per recuperar la calor d'aigües calentes procedents de processos de refrigeració. Les temperatures no solen superar els 55º C-65º C i, per tant, la recuperació per a ús industrial no és molt rellevant, sent la seva principal aplicació la producció d'aigua calenta sanitària.

5.1 Mesures d'eficiència relatives al disseny

• Dimensionar els conductes de gasos d'acord al màxim cabal de gas i construir-los segons les recomanacions habituals per evitar pèrdues de càrrega per fregament excessius.
• Adequar el tipus de caldera de recuperació segons el contingut en sòlids en suspensió dels gasos de combustió.
• Utilitzar economitzadors en calderes de recuperació.
• Utilitzar sobreescalfadors en calderes de recuperació si la temperatura dels gasos és suficient.

5.2 Mesures d'eficiència relatives a l'operació

• Reduir la temperatura dels gasos de combustió tant com sigui possible, per evitar la corrosió per formació de rosada àcida.
• Realitzar la combustió amb el mínim d'aire compatible amb les condicions ambientals i l'estat de les instal·lacions.
• Emprar additius que evitin les incrustacions en les conduccions d'aigua i en els equips, ja que dificulten la transmissió de calor.
• Preescalfar l'aire comburent en processos de combustió.

5.3 Mesures d'eficiència relatives a la neteja i al manteniment

• Mantenir les superfícies d'intercanvi netes de sutges i d’incrustacions, mitjançant el bufament de vapor, d’aire comprimit o el rentatge amb aigua calenta (per evitar xocs tèrmics).
• Realitzar manteniment de tancaments i de juntes per evitar pèrdues de càrrega en les conduccions.
• Calorifugar les parts següents per minimitzar les pèrdues de calor (es recomanen els aïllaments amb fibres ceràmiques):
  • Conductes i canonades.
  • Economitzadors.
  • Exterior dels canviadors de calor en general.

Informació complementària: vegeu Fitxes forns elèctrics, forns de gas, assecadors industrials i Catàleg recuperació de la calor residual

Calderes de recuperació per a producció de vapor

Són calderes en les quals no existeix cambra de combustió, ja que tota la calor transferida a l'aigua prové dels gasos de combustió d'un altre equip com pot ser un forn.

Aquests gasos tenen una temperatura menor de la que tindrien els produïts en el mateix equip i, d'aquesta manera, la transmissió de calor per convecció pren més pes que la de radiació. Perquè la convecció sigui bona cal una mescla íntima entre les molècules del gas.

La convecció adequada es garanteix mitjançant una circulació del gas en règim turbulent. Això s'aconsegueix de diferents maneres en funció del tipus de caldera:

• En calderes aquotubulars: amb un disseny de fluxos creuats i amb un espaiat entre tubs que origini un bon contacte amb els gasos.
• En calderes pirotubulars: fent circular els gasos a gran velocitat per l'interior dels tubs, i utilitzant turbuladors que originin xocs violents de les molècules dels gasos amb les parets.
• En calderes especials: es busquen formes especials, com ara la curvatura dels tubs, envans deflectors o d’altres formes que garanteixin igualment xocs violents.

L'aigua pot circular de manera natural o per convecció forçada, fet que permet utilitzar tubs de menor diàmetre i espessor.

4.1 Criteris d'elecció del tipus de caldera adequada

1) Criteris d'elecció per a calderes pirotubulars:

• Serveixen per aprofitar la calor de gasos calents o de líquids a elevada temperatura.
• Serveixen per a gasos a altes pressions, fins a 25 atm.
• Se solen utilitzar en aquells casos en què és possible enviar la caldera completa i finalitzada de fàbrica.
• Són, en general, més fàcils de netejar i menys susceptibles de sofrir incrustacions que les aquotubulars.
• Si es poden usar ambdós tipus, la pirotubular és més barata.
• Quan la temperatura d'arribada dels gasos és elevada (500º C a 1.000º C), l'entrada dels tubs és força susceptible de deterioració.
• Generalment es produeix una major pèrdua de càrrega en els gasos que en les aquotubulars.

2) Criteris d'elecció per a calderes aquotubulars:

• Es poden dissenyar per a qualsevol pressió.
• Es poden emprar tubs llisos o tubs amb aletes o superfícies esteses.
• Quan els gasos creen una transferència baixa o quan només és possible una petita pèrdua de càrrega, donen major rendiment que les pirotubulars.
• Són més útils per a gasos a temperatura elevada i a baixes pressions, ja que es poden muntar segons les necessitats i les disponibilitats en fàbrica.
• No són recomanables quan les impureses dels gasos són molt incrustants per la dificultat de bufament.
• S’hi produeixen menys fallades mecàniques que en les pirotubulars.
• És possible construir-les amb circulació natural i amb circulació forçada.
• Certs dissenys d’aquotubulars es poden construir amb sobreescalfador, escalfador d'aire i economitzador.

4.2 Avantatges i desavantatges de les calderes de recuperació

La utilització d'aquestes calderes de recuperació té una sèrie d'avantatges importants, entre els quals es pot citar:

• El procés d'intercanvi de calor en calderes de recuperació és un dels de més alt rendiment.
• Les calderes de recuperació exigeixen una inversió menor que en d’altres sistemes de recuperació de calor, ja que no tenen fogar amb cremador.
• El control en aquestes calderes es realitza fàcilment sobre la base de la demanda i de la pressió del vapor.

No obstant això, les calderes de recuperació també tenen alguns desavantatges:

• Com que utilitzen aigua/vapor com a fluid portador, s'exigeix una gran qualitat de l'aigua d'alimentació.
• En general, no és possible fer baixar suficientment la temperatura dels gasos; com a conseqüència, cal un sistema addicional per recuperar aquesta última calor sensible en els gasos que surten de la caldera.