Recuperación de calor en calderas de vapor, aceite térmico y agua caliente

En los últimos años, Aningas-Ergos, S.A. de Barcelona, ha estudiado e instalado numerosos economizadores y precalentadores tanto en calderas nuevas como en existentes, de distintos fabricantes. En muchos casos el retorno de la inversión es muy corto.

El rendimiento se puede incrementar reduciendo la temperatura de los humos con uno o más economizadores en serie a la salida de los gases de la caldera, reduciendo su temperatura y aprovechando al máximo el calor residual. En primera aproximación, por cada reducción de 20 °C en la temperatura de humos, aumenta un 1% el rendimiento.

Normalmente el rendimiento de las calderas de vapor pirotubulares con quemador (dependiendo de las condiciones de trabajo) es del orden del 91 ó 92%. Con un economizador gases / agua se puede incrementar de modo económico el rendimiento un 4% (hasta un 94% +/-1). Un precalentador adicional de aire de combustión puede aumentar el rendimiento otro 3% (hasta 97% +/-1).

Aningas-Ergos, S.A. suministra dos tipos de economizadores gases / agua:

• Economizadores ‘en línea’, es decir que no están situados sobre la vertical de la propia caldera. Además del by-pass del circuito de agua, se dispone de by-pass de gases manual integrado en el propio equipo. Facilitan el mantenimiento y la inspección. Minimizan el riesgo de corrosiones en la caldera por condensación.

• Economizadores en chimenea: mucho más compactos, adecuados para calderas existente o salas de calderas con limitación de espacio.

En ambos casos se puede precalentar el agua de alimentación de la propia caldera u otro circuito independiente de agua para otras aplicaciones (agua de proceso, ACS, ...).

En el diseño de estos equipos se deben tener en cuenta:

• Limitar la temperatura del agua de alimentación de la caldera, a la salida del economizador a unos 4 °C (approach point) por debajo de la temperatura de saturación del vapor en el interior de la caldera, para evitar vaporizaciones en el economizador.
• Mantener la temperatura de los gases a la salida del economizador por encima de 120 / 125 °C para evitar condensaciones y corrosiones. Sin embargo se pueden diseñar economizadores especiales de acero inoxidable para aprovechar también el calor de condensación.
• Mantener la temperatura de entrada del agua al economizador por encima de 75 / 78 °C en calderas de cogeneración a partir de gases de motores, para evitar la condensación de aceite del motor.

Los materiales constructivos se deben escoger en función de las necesidades de cada caso:

• Tubos de acero al carbono con aletas de aluminio.
• Tubos de acero al carbono con aletas de acero.
• Tubos de acero al carbono con aletas de acero soldadas por radiofrecuencia y casquillos antivibratorios en los extremos (para calderas de cogeneración de motores).

Dependiendo del tipo de caldera (convencional con motor de gas, biogas, gasoil, fuel oil o de cogeneración de motores o turbinas) se utilizan:

• Distintas separaciones de aletas: 3 mm (8 aletas por pulgada), 4 mm (6 aletas por pulgada), 5 mm (5 aletas por pulgada), 6 mm (4 aletas por pulgadas), 8 mm (3 aletas por pulgada). Con distintos coeficientes de transmisión, superficie de transmisión y facilidad de limpieza.
• Diferentes disposiciones: al tresbolillo (más eficiente) o paso cuadrado (mayor facilidad de limpieza).

Los precalentadores gases / aire son más caros pero presentan las siguientes ventajas:

• Permiten aprovechar al máximo el calor de los gases.
• No hay corrosiones en el circuito agua.
• Validos para gases de combustión de fuel oil, en que se requerirían economizadores especiales.
• Si el retorno de condensados es a alta temperatura, por ejemplo en la industria cervecera, la temperatura de entrada a un economizador gases / agua es muy próxima a la temperatura del vapor y el calor recuperable sería muy poco.
• Se puede utilizar también para calderas de agua sobrecalentada en que la temperatura de retorno es muy similar a la temperatura de la caldera y la temperatura de humos es relativamente baja.

Los precalentadores gases / aire se utilizan en calderas industriales conjuntamente con quemadores para aire caliente.

En calderas de aceite térmico la temperatura del fluido transmisor de calor puede ser bastante alta (hasta 400 °C, dependiendo del tipo de aceite térmico), por tanto las temperaturas de humos a la salida de la caldera también acostumbran a ser altas y existe un gran potencial para ahorrar energía, recuperando calor.

Existen varias opciones de recuperación:

• Precalentar el aceite de retorno a la caldera: Insertando un economizador gases / aceite, de área extendida, en el circuito de gases de la caldera, se puede aumentar el rendimiento. El aceite térmico circula por el interior de los tubos y colectores (circulación forzada) y los gases, en un solo paso, por el exterior a presión cercana a la atmosférica. Esta solución se puede adoptar sin problema en calderas existentes, basta aumentar la presión de la bomba de recirculación de aceite térmico existente para vencer la perdida de presión adicional en el circuito. Como la temperatura del aceite a través del economizador es relativamente alta no se presentan corrosiones ni condensación ni se alcanza el punto de rocío ácido (si el combustible es gasoil o fuel oil). El espacio requerido para este tipo de economizador es inferior a un precalentador gases / aire.

• Calentar otro fluido, por ejemplo agua de proceso: Con un economizador gases /agua. Pero no siempre existe la necesidad de calentar agua de proceso durante todo el tiempo de funcionamiento de la caldera de aceite térmico. Si la temperatura de entrada de agua al economizador es muy baja y no se toman precauciones adicionales se podría producir condensación o corrosiones. Como el coeficiente global de transmisión de calor al agua es más alto y también el salto térmico, son equipos relativamente compactos. Estos economizadores pueden ser acuotubulares o pirotubulares y opcionalmente se suministran rampas de lavado, by-pass de gases, etc. Se pueden instalar sin problema en calderas existentes, basta ajustar la regulación del quemador, debido a la variación en el tiro de la chimenea.

• Precalentar el aire de combustión. Estos precalentadores gases / aire son similares a los descritos previamente para el caso de calderas de vapor o agua sobrecalentada. La principal diferencia es que al aumentar la temperatura del aire de combustión aumenta también la densidad de flujo calorífico por radiación de la llama. Este efecto puede ser beneficioso en calderas nuevas y bien dimensionadas, pero en calderas existentes antiguas o en que no se tuvo en cuenta este aspecto podría aumentar la temperatura de película del aceite térmico en el interior del serpentín de la caldera y causar problemas (sobrecalentamiento del aceite térmico, deterioro prematuro, cavitaciones, daños en la caldera, ...). Se requieren quemadores especiales para aire de combustión caliente, por este motivo, en calderas existentes, esta opción puede obligar a cambiar el quemador.

Además de la economía de combustible que se consigue al enfriar la temperatura de los humos, precalentando el aire de combustión, deben considerarse los siguientes efectos positivos de esta recuperación:

1. Aumenta la temperatura de combustión.
2. Intensifica la transmisión de calor útil en la caldera de aceite térmico.
3. Disminuye las perdidas por combustión incompleta.
4. Permite trabajar con niveles más reducidos de exceso de aire.
5. Realmente el ahorro potencial tiene lugar durante todo el tiempo de funcionamiento de la caldera.

f: factor incremento transmisión por radiación.

Esto se traduce en un ahorro adicional por mejora del rendimiento de la caldera.

En calderas de agua caliente la temperatura de humos a la salida de la caldera es inferior a los casos anteriores. En estos casos se opta por economizadores de condensación, construidos en acero inoxidable en los que se precalienta el agua de retorno a la caldera u otros flujos de agua, por ejemplo ACS.