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Sistemas de recup. de calor: aprovechamiento de calor residual

  • 1. Descripción

    1.1 Introducción

    El calor residual es el calor contenido en los productos y subproductos de un proceso, que eleva su temperatura a niveles mayores de los adecuados para su emisión o almacenaje. Este calor puede ser aprovechado de modo que se cumplan dos objetivos simultáneamente:

    • Recoger y distribuir el calor para reutilizarlo en el mismo equipo o en otros.
    • Disminuir la temperatura de emisión de fluidos de manera que se reduzca la contaminación térmica de la planta.

    El calor residual en los efluentes de los procesos industriales supone una importante pérdida de energía térmica en la industria. El aprovechamiento de este calor aumenta significativamente la eficiencia energética de los equipos y la eficiencia global de la planta.

    Cuanto mayor sea la temperatura de la fuente de calor residual, mayor será la capacidad de aprovechamiento de este calor.

    En general, en una planta, los equipos susceptibles de ser mejorados con medidas de recuperación de calor residual son múltiples:

    • Hornos eléctricos y de gas.
    • Calderas de todo tipo (gas, gasóleo, biomasa, etc.).
    • Secaderos.
    • Evaporadores.
    • Compresores.
    • Sistemas de refrigeración.
    • Turbinas.
    • Motores.
    • Instalaciones de cogeneración.

    1.2 Líneas de aprovechamiento

    Las líneas de aprovechamiento de calor residual son fundamentalmente dos:

    Recuperación del calor residual de gases de combustión. Aproximadamente, una disminución de 20ºC en la temperatura de emisión de estos gases implica un aumento del rendimiento energético de una caldera de un 1%. Dado que los gases de combustión salen muy calientes, la posible reducción de la temperatura es grande, alcanzándose ahorros significativos.

    Recuperación del calor residual de otros fluidos. En este punto se incluye el aprovechamiento del calor de aguas residuales calientes procedentes de procesos de refrigeración de equipos. Las posibilidades de aprovechamiento son menores, y las temperaturas son mucho menores que en el caso de gases de combustión.

  • 2. Conceptos básicos

    2.1 Recuperadores de gases de combustión

    Son los equipos diseñados para la recuperación del calor residual de los gases de combustión.

    Básicamente se pueden dividir en dos tipos:

    • Economizadores, en los cuales con el calor de los gases se calienta agua.
    • Recuperadores o calentadores de aire, que transfieren el calor de los gases a una corriente de aire, generalmente utilizada como comburente de otro proceso de combustión.

    Calentador de aire

    Es un equipo auxiliar importante en calderas y hornos industriales y funciona recuperando el calor sensible de los gases de salida, tanto para reutilizarlo en el propio equipo, como para llevarlo a otra zona de la planta.

    El precalentamiento del aire produce los siguientes efectos:

    • Se reducen las pérdidas de calor en los gases de combustión, ahorrándose aproximadamente un 1% de combustible por cada 20 ºC de reducción de la temperatura de dichos gases.
    • Aumenta la temperatura de llama en la zona de combustión, incrementando el calor transferido por radiación y la cantidad de vapor producido con un menor exceso de aire comburente.
    • Algunos combustibles sólo pueden ser quemados con precalentamiento del aire, como es el caso del carbón.

    2.2 Rocío ácido

    En el proceso de combustión, el azufre contenido en el combustible se oxida a SO2, que puede oxidarse aún más hasta SO3. El trióxido de azufre tiene gran tendencia a combinarse con agua para formar ácido sulfúrico, que permanece disuelto en el agua, con gran poder corrosivo.

    Si la temperatura desciende demasiado, se puede alcanzar el punto de rocío de esta disolución, condensándose gotas de concentración alta, debido al equilibrio.

    El fenómeno del rocío ácido hace necesario llegar a un valor óptimo de la reducción de la temperatura de los gases, equilibrando el ahorro energético que supone recuperar más calor, con el gasto consecuencia de reducir la vida útil de los tubos por corrosión.

    2.3 Calor sensible y calor latente

    Calor sensible es el calor que se emplea en variar la temperatura de un cuerpo, en este caso agua o fluido térmico. Está relacionado con el calor específico, que en caso del agua líquida es de 1kcal/kg ºC.

    Calor latente es el calor empleado en producir un cambio de estado en un cuerpo, como por ejemplo la vaporización del agua, cuyo calor latente de vaporización/condensación es de 540kcal/kg (a 100ºC).

  • 3. Componentes

    3.1 Economizadores de calderas

    Elevan la temperatura del agua que alimenta la caldera obteniendo un ahorro de combustible en el hogar.

    Están compuestos, básicamente, por un haz de tubos agrupados convenientemente, por el interior de los cuales circula el agua a calentar, mientras que los gases de combustión bañan la superficie exterior.

    Los tubos tienen cuatro conformaciones fundamentales, que los hacen aptos para una u otra función:

    • Tubos AESS, de acero estirado sin aletas. Se emplean de forma general cuando la temperatura de los gases es muy alta, con grandes saltos térmicos entre las paredes del tubo y gran transferencia de calor.
    • Tubos AA, de acero estirado con aletas transversales de acero. Se emplean en cualquier proceso de transferencia de calor siempre que no haya riesgo de corrosión por rocío ácido.
    • Tubos F, de hierro fundido con aletas. Se obtienen por fundición directa de la pieza. Mayor resistencia a la corrosión que el acero (hasta veinte veces mayor). Fueron los más empleados en el pasado, pero su uso está en declive por su baja resistencia mecánica, lo que los hace no aptos para economizadores con vaporización.
    • Tubos AF, de acero estirado recubiertos de piezas de hierro fundido. Combinan la resistencia mecánica del acero con la resistencia a la corrosión del recubrimiento de hierro. Son los más utilizados en la actualidad.

    Tubo con aletas tipo AF

    Para evitar el fenómeno del rocío ácido, se debe operar con las siguientes temperaturas mínimas:

    Temperaturas mínimas del agua y los gases para distintos tubos
    Tipo de tubo Temperatura min. gases Temperatura min. agua
    Tubos de acero (AESS, AA) 160-170ºC 120-130ºC
    Tubos recubiertos de hierro (F, AF) 150-160ºC 70-80ºC

    Instalador de economizador en caldera compacta (en by-pass)

    3.2 Sistemas bi-transfer

    En estos sistemas, el calor no fluye desde los gases al agua directamente, sino que se utiliza un fluido portador que transfiere el calor de uno a otro.

    Son muy indicados cuando, por la localización física de los dos fluidos frío y caliente, no es posible un contacto directo entre ellos. Un adecuado aislamiento de tubería y una bomba son suficientes para transportar el calor residual salvando grandes distancias.

    El fluido portador será agua siempre que las condiciones de operación lo permitan (menos de 200ºC, ya que mayores temperaturas implican una presión difícil de mantener). Cuando no sea así se empleará un aceite térmico.

    Los tubos utilizados para el intercambio son AF, en el caso de que el combustible contenga azufre, y AA, si está exento de él.

    Instalador de economizador en caldera compacta (en by-pass)

    3.3 Condensación de vapores de agua residuales en secaderos

    Los gases procedentes de secaderos salen a alta temperatura y portando un alto grado de humedad en estado de vapor, de modo que de ellos se puede recuperar tanto calor sensible como calor latente de condensación.

    El intercambio se puede llevar a cabo de dos formas:

    • Método directo. Los gases y el agua a calentar se mezclan físicamente, llegándose a alcanzar el equilibrio térmico.
    • Método indirecto. El intercambio se hace a través de unos tubos, donde condensa parcialmente la humedad del gas de secado.

    En ambos casos se necesita un sistema de recogida del agua condensada.

    3.4 Tubos térmicos

    Un tubo térmico es el conjunto de dos tubos concéntricos sellados, de forma que el fluido que contiene en su interior no puede salir de él. Este fluido portador es llevado de un extremo a otro por efecto de la capilaridad, y puede ser tanto agua, como fluidos orgánicos, incluso metales como mercurio o sodio para aplicaciones especiales.

    Si se suministra calor en un extremo, el fluido portador se evapora y pasa a la parte central del tubo por capilaridad, fluyendo después por efecto de la presión hacia el otro extremo, donde condensa cediendo su calor latente a otro fluido, para volver por último al espacio entre tubos por capilaridad.

    Por lo tanto, los bancos de tubos térmicos se han de colocar con un extremo en el foco caliente (gas de combustión) y otro en el foco frío (agua o aire a calentar).

    Esquema de tubo térmico

    3.5 Calentadores de aire comburente en calderas, hornos y secaderos

    Existen numerosos tipos de calentadores, que pueden trabajar en distintos rangos de temperatura:

    Calentador de aire tubular en contracorriente con by-pass

    Placas de hierro fundido con aletas para calentador de aire

    1. Calentadores de tubos lisos de acero. Consiste en un haz de tubos contenidos en una carcasa exterior. Los gases circulan por el interior de los tubos y el aire por el exterior en contracorriente.
    2. Calentadores de tubos de acero con superficies extendidas. La utilización de aletas permite reducir el volumen total del calentador.
    3. Calentadores de hierro fundido con aletas. Se utilizan tubos de sección rectangular colocados horizontalmente. El aire fluye por el interior.
    4. Calentadores de vidrio de borosilicato. Para bajas temperaturas de los gases estos calentadores presentan una serie de ventajas como la alta transferencia de calor (no se producen incrustaciones debido a la baja rugosidad), resistencia a la corrosión y facilidad de limpieza. Como desventajas están la fragilidad del vidrio y las dilataciones térmicas.
    5. Calentadores de aceros refractarios. Se utilizan para altas temperaturas y son haces de tubos que pueden transmitir calor por convección, radiación o una combinación de las dos. En caso de los recuperadores de radiación, hay que tener cuidado de que la temperatura de los gases sea constante, ya que el calor emitido es proporcional a la cuarta potencia de esta temperatura, y pequeñas variaciones resultarían en grandes cambios en la temperatura del aire calentado. Por tanto no son aptos para hornos discontinuos.
    6. Regenerativos. Consisten en una estructura metálica rotativa de superficie extendida para acumular calor más rápidamente. El giro pone a las celdas en contacto con los focos caliente y frío alternativamente, transportando así el calor.
    7. Regeneradores cerámicos. Constan de dos zonas rellenas de ladrillos cerámicos. Al principio, los gases atraviesan una de las zonas calentando los ladrillos, pasando el aire por la otra zona. Luego el flujo se invierte y es el aire el que cruza por la zona de ladrillos calientes, absorbiendo calor y enfriándolos. El proceso se repite alternativamente. Pueden manejar gases corrosivos a altas temperaturas.

    3.6 Precalentamiento del producto de los hornos

    Los gases de salida de los hornos se pueden recircular en contracorriente de modo que precalienten el producto en una cámara de precalentamiento, recuperándose su calor sensible en mayor medida antes de escapar por chimenea.

    Precalentamiento en horno de carga contínua

    3.7 Bomba de calor

    Sirve para recuperar el calor de aguas calientes procedentes de procesos de refrigeración. Las temperaturas no suelen superar los 55ºC-65ºC, así que la recuperación para uso industrial no es muy relevante, siendo su principal aplicación la producción de agua caliente sanitaria.

  • 4. Medidas de eficiencia

    4.1 Medidas de eficiencia relativas al diseño

    • Dimensionar los conductos de gases de acuerdo al máximo caudal de gas y construirlos según las recomendaciones habituales para evitar pérdidas de carga por rozamiento excesivas.
    • Adecuar el tipo de caldera de recuperación según el contenido en sólidos en suspensión de los gases de combustión.
    • Usar economizadores en calderas de recuperación.
    • Usar sobrecalentadores en caderas de recuperación si la temperatura de los gases es suficiente.

    4.2 Medidas de eficiencia relativas a la operación

    • Reducir la temperatura de los gases de combustión tanto como sea posible, evitando la corrosión por formación de rocío ácido.
    • Realizar la combustión con el mínimo de aire compatible con las condiciones ambientales y el estado de las instalaciones.
    • Emplear aditivos que eviten las incrustaciones en las conducciones de agua y equipos, ya que dificultan la transmisión de calor.
    • Precalentar el aire comburente en procesos de combustión.

    4.3 Medidas de eficiencia relativas a la limpieza y el mantenimiento

    • Mantener las superficies de intercambio limpias de hollines e incrustaciones, mediante el soplado de vapor, aire comprimido o lavado con agua caliente (para evitar choques térmicos).
    • Realizar mantenimiento de cierres y juntas para evitar pérdidas de carga en las conducciones.
    • Calorifugar las siguientes partes para minimizar las pérdidas de calor (recomendados los aislamientos con fibras cerámicas):
      • Conductos y tuberías.
      • Economizadores.
      • Exterior de los cambiadores de calor en general.

    Información complementaria: ver Fichas Hornos eléctricos, Hornos de gas, Secaderos industriales y Catálogo Recuperación del calor residual

  • 5. Mejores Equipos
    Calderas de recuperación para producción de vapor

    Son calderas en las que no existe cámara de combustión, puesto que todo el calor transferido al agua proviene de los gases de combustión de otro equipo como puede ser un horno.

    Estos gases tienen una temperatura menor que la que tendrían los producidos en el propio equipo, por lo que la transmisión de calor por convección toma más peso que la de radiación. Para que la convección sea buena se necesita una mezcla íntima entre las moléculas del gas.

    La convección adecuada se garantiza mediante una circulación del gas en régimen turbulento. Esto se consigue de distintas formas dependiendo del tipo de caldera:

    • En calderas acuotubulares: con un diseño de flujos cruzados y con un espaciado entre tubos que origine un buen contacto con los gases.
    • En calderas pirotubulares: haciendo circular los gases a gran velocidad por el interior de los tubos, y utilizando turbuladores que originen choques violentos de las moléculas de los gases con las paredes.
    • En calderas especiales: se buscan formas especiales, tales como curvatura de los tubos, tabiques deflectores u otros que garanticen igualmente choques violentos.

    El agua puede circular de forma natural o por convección forzada, lo que permite utilizar tubos de menor diámetro y espesor.

    5.1 Criterios de elección del tipo de caldera adecuada

    1) Criterios de elección para calderas pirotubulares:
    • Sirven para aprovechar el calor de gases calientes o de líquidos a elevada temperatura.
    • Sirven para gases a altas presiones, hasta 25atm.
    • Se suelen utilizar en aquellos casos en que es posible enviar la caldera completa y finalizada de fábrica.
    • Son, en general, más fáciles de limpiar y menos susceptibles de sufrir incrustaciones que las acuotubulares.
    • Si se pueden usar ambos tipos, la pirotubular es más barata.
    • Cuando la temperatura de llegada de los gases es elevada (500ºC a 1.000ºC), la entrada de los tubos es bastante susceptible de deterioro.
    • Generalmente se produce una mayor pérdida de carga en los gases que en las acuotubulares.
    2) Criterios de elección para calderas acuotubulares:
    • Se pueden diseñar para cualquier presión.
    • Se pueden emplear tubos lisos o tubos con aletas o superficies extendidas.
    • Cuando los gases crean una transferencia baja o cuando sólo es posible una pequeña pérdida de carga, dan mayor rendimiento que las pirotubulares.
    • Son más útiles para gases a temperatura elevada y bajas presiones, ya que se pueden montar de acuerdo a las necesidades y a las disponibilidades en fábrica.
    • No son recomendables cuando las impurezas de los gases son muy incrustantes por la dificultad de soplado.
    • Se producen en ellas menos fallos mecánicos que en las pirotubulares.
    • Es posible construirlas con circulación natural y con circulación forzada.
    • Ciertos diseños de acuotubulares pueden construirse con sobrecalentador, calentador de aire y economizador.

    5.2 Ventajas e inconvenientes de las calderas de recuperación

    La utilización de estas calderas de recuperación tiene una serie de ventajas importantes, entre las que se pueden citar:

    • El proceso de intercambio de calor en calderas de recuperación es uno de los de más alto rendimiento.
    • Las calderas de recuperación exigen una inversión menor que en otros sistemas de recuperación de calor, ya que no tienen hogar con quemador.
    • El control en estas calderas se realiza fácilmente en base a la demanda y presión del vapor.

    Sin embargo, las calderas de recuperación también tienen algunas desventajas:

    • Al utilizar agua/vapor como fluido portador se exige una gran calidad del agua de alimentación.
    • En general, no es posible hacer descender suficientemente la temperatura de los gases; en consecuencia, se requiere un sistema adicional para recuperar este último calor sensible en los gases que salen de la caldera.
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