Temperatura o pérdida de gases de combustión

Economizador

La temperatura de los gases de combustión a la salida de la caldera suele ser unos 60 K superior a la temperatura del vapor saturado en el interior de la caldera de vapor.

Fig. „Economizador integrado en UL-S“

A una presión de funcionamiento de 10 bares, que corresponde a una temperatura de vapor saturado de 185 °C, la temperatura de los gases de combustión es de aproximadamente 245 °C. Esto corresponde a una pérdida de gases de combustión de aproximadamente el 11 %. Esto corresponde a una pérdida de gases de combustión de aproximadamente el 11 %. Como se muestra en el gráfico (Fig. „Aumento de la eficiencia con economizadores de distintos tamaños“), la pérdida de gases de combustión se puede reducir en aproximadamente 1 punto porcentual, o aumentar el rendimiento de la caldera en consecuencia, con cada reducción de 20 °C en la temperatura de los gases de combustión.

Utilizando un economizador integrado o conectado a continuación, la temperatura de los gases de combustión puede reducirse a 120 – 140°C, dependiendo del diseño del economizador, lo que reduce significativamente la pérdida de gases de combustión. Durante este proceso, el calor de los gases de combustión se transfiere al agua de alimentación de la caldera que fluye en contracorriente. El calor extraído del flujo de gases de combustión se introduce en la caldera a través del agua de alimentación calentada. Esto aumenta el rendimiento de la combustión en un 5 – 7%.

Diagrama de flujo simplificado de un sistema de caldera de vapor con economizador integrado

Diagrama de flujo simplificado de un sistema de caldera de vapor con economizador integrado

Aumento de la eficiencia con economizadores de distintos tamaños (del I al III)

Aumento de la eficiencia con economizadores de distintos tamaños (del I al III)

ƞ

ECO III

 

ECO II

 

ECO I

 

sin

     

tA

ECO III

 

ECO II

 

ECO I

 

sin

Los economizadores no regulados consiguen un aumento óptimo de la eficiencia porque en carga parcial se aprovecha al máximo la superficie de calefacción disponible para enfriar los gases de combustión.

Info sobre Economizador

Si hay que tener en cuenta la temperatura mínima de la chimenea, los economizadores pueden diseñarse individualmente para las distintas temperaturas de entrada y salida de los gases de combustión.

Para alcanzar un alto grado de eficiencia económica mediante una baja temperatura de los gases de combustión, por un lado, y para cumplir la temperatura mínima de los gases de combustión permitida para la chimenea, por otro, son componentes necesarios de la caldera un regulador continuo del agua de alimentación y un control de derivación del agua. Hoy en día, el economizador integrado es una característica estándar de una caldera de vapor en más o menos todas las aplicaciones. Normalmente se amortiza en pocos meses.

Intercambiador de calor de condensación

Cuando se utiliza la tecnología de condensación, no sólo se elimina parcialmente de los gases de combustión el calor sensible que está directamente relacionado con la temperatura, sino también el calor de condensación latente en el vapor de agua. Se produce un condensado líquido de los gases de combustión que debe retirarse del recorrido de los gases de combustión, neutralizarse e introducirse en el sistema de alcantarillado.

Esto es posible sin causar daños por corrosión a largo plazo utilizando materiales resistentes a la corrosión en los intercambiadores de calor, sistemas de gases de combustión resistentes a la humedad y chimeneas de acero inoxidable.

Si se dan las condiciones marco adecuadas, es posible una mejora adicional de la eficiencia de hasta el 7 %. Para ello, el economizador de condensación se conecta siempre después del economizador seco en el lado de los gases de combustión.

A modo de ejemplo, el siguiente gráfico muestra el rendimiento de la caldera en función de su carga.

Curva de rendimiento en función de la carga de la caldera de una caldera sin economizador, una caldera con economizador y una caldera con economizador e intercambiador de calor de condensación adicional

Curva de rendimiento en función de la carga de la caldera de una caldera sin economizador, una caldera con economizador y una caldera con economizador e intercambiador de calor de condensación adicional

Caldera de vapor con economizador
e intercambiador de condensación aguas arriba

Caldera de vapor con economizador

Caldera de vapor sin economizador

Diagrama de flujo simplificado de un sistema de caldera de vapor con economizador integrado e intercambiador de calor de condensación a continuación

Diagrama de flujo simplificado de un sistema de caldera de vapor con economizador integrado e intercambiador de calor de condensación a continuación

Economizador integrado (acero)

Tapa de derivación de gases de combustión

Intercambiador de calor de condensación
(acero inoxidable)

Agua de reposición

Para que un intercambiador de calor de condensación funcione eficazmente, se necesita un caudal de agua suficientemente grande (> 30 % de la producción de vapor de la caldera) y fría (temperatura < 35 °C) como disipador de calor a baja temperatura. Debe estar disponible cuando la caldera de vapor esté en funcionamiento.

En los sistemas de calderas de vapor, puede ser el agua de reposición utilizada para rellenar el depósito de agua de alimentación. Esto se aplica especialmente a los sistemas con calentamiento directo de vapor en los que no se recupera condensado o se recupera muy poco (< 50 % de la producción de vapor) (por ejemplo, al fabricar poliestireno expandido o pan y también para humidificación o secado). Además, siempre hay que compensar las pérdidas de agua como resultado de la purga de superficie, la purga de fondo, la reevaporación y las fugas en el sistema de vapor.

Las cantidades perdidas varían considerablemente en función del sistema concreto. Pueden ser mucho más de la mitad de la cantidad de vapor producida y también deben reponerse con agua de reposición. La temperatura máxima del agua de reposición tras el tratamiento del agua suele ser de 15 °C, lo que la hace muy adecuada para el precalentamiento en el intercambiador de calor de condensación.

La baja temperatura de entrada del agua permite una amplia condensación de los gases de combustión y, por tanto, un uso óptimo de la tecnología de condensación. Con esta aplicación, el factor de diversidad entre la disponibilidad de calor residual y la demanda de energía térmica también está disponible durante el funcionamiento rutinario, lo que significa que esta ventaja siempre existe.

Sin embargo, con caudales de condensado elevados, el caudal de agua de reposición necesario es pequeño, lo que significa que un intercambiador de calor de condensación no siempre es rentable.

No obstante, la tecnología de condensación puede seguir utilizándose siempre que se disponga de un circuito de agua a baja temperatura adecuado. El calor de condensación que se libera puede utilizarse, por ejemplo, para calentar el agua de proceso, especialmente en la industria alimentaria, o como apoyo a la calefacción central.

A diferencia de los sistemas de calefacción de edificios, que tienen temperaturas de sistema y de retorno claramente definidas, la industria se caracteriza por una amplísima gama de sistemas de aplicación de vapor y sistemas de calefacción. Por tanto, compiten entre sí una gran diversidad de sistemas de ahorro energético y recuperación de calor.

Para encontrar la solución más económica es necesario realizar un análisis exhaustivo de todos los proveedores y consumidores de calor residual. Para garantizar que la tecnología de condensación se utiliza de forma óptima, es especialmente indispensable una estrecha colaboración entre operadores, planificadores y fabricantes de calderas a la hora de determinar qué medidas de entre las innumerables opciones disponibles son las más eficientes.

Si no se dispone de un consumidor de calor adecuado para el calor de condensación de los gases de combustión, el precalentamiento del aire es una medida que puede utilizarse para aumentar la eficiencia y que se describe en el capítulo siguiente.

Precalentador de aire

El precalentador de aire puede utilizarse como medida de mejora de la eficiencia en sistemas nuevos que se instalen junto con economizadores.

Durante este proceso, el aire de combustión a temperatura ambiente se calienta en un intercambiador de calor situado antes del quemador hasta alcanzar aproximadamente 80 °C. El agua de alimentación, enfriada a 65 °C, pasa por un segundo haz de economizadores y la temperatura de los gases de combustión desciende a unos 80 °C.

Bosch ofrece el precalentamiento del aire para calderas de uno o dos tubos de humo con quemadores duobloque. Como el quemador está diseñado especialmente para ello y hay que tener en cuenta los gastos de instalación del intercambiador de calor del aire de combustión, del economizador adicional y de las tuberías, el precalentamiento del aire es especialmente atractivo desde el punto de vista de desde un punto de vista económico cuando la caldera funciona muchas horas a plena carga, es decir, unas 4.000 h/año, o si la potencia de la caldera es de unas 5 toneladas de vapor/hora o más. Entonces, el tiempo de amortización de los costes adicionales que conlleva el precalentamiento suelen ser de sólo 1.5 – 2 años. Sin embargo, también suele tener sentido reequipar estos equipos en sistemas existentes con un elevado número de horas de funcionamiento anuales, es decir, unas 6.000 h/año.

Precalentador de aire

Precalentador de aire

Precalentamiento del aire de combustión en la caldera de vapor según la patente de Bosch

Precalentamiento del aire de combustión en la caldera de vapor según la patente de Bosch

Caldera de vapor

Intercambiador de calor, aire de combustión

Ventilador

Aire de combustión

Intercambiador de calor de gases de combustión etapa 1

Intercambiador de calor de gases de combustión etapa 2

Válvula de 3 vías

Agua de alimentación

Chimenea

Regulador de temperatura (TIC)

Enfriador de agua de alimentación

La temperatura de los gases de combustión es decisiva para el rendimiento de la combustión de las calderas de vapor sin condensación de los gases de combustión. Sin embargo, el agua de alimentación utilizada en el economizador para enfriar los gases de combustión en los sistemas con desgasificación térmica no está más fría de 103 °C. Esto sólo puede utilizarse para reducir económicamente la temperatura de los gases de combustión en el economizador a unos 120 °C.

Módulo enfriador de agua de alimentación

Módulo enfriador de agua de alimentación

Módulo de refrigeración del agua de alimentación

Módulo de refrigeración del agua de alimentación

Módulo de refrigeración del agua de alimentación

Economizador

Caldera de vapor

Módulo de servicio de agua

Agua de reposición

Válvula de 3 vías

Sin embargo, si en el sistema global hay consumidores de calor con un nivel de temperatura inferior a 100 °C, por ejemplo, el calentamiento del agua de reposición del sistema de calderas de vapor, un sistema de calefacción de edificios o un sistema de calentamiento del agua de proceso, la temperatura del agua de alimentación puede reducirse de 103 °C a 65 °C mediante un sencillo y económico intercambiador de calor de placas. Debido a la mayor diferencia entre la temperatura de los gases de combustión y la del agua de alimentación, los gases de combustión también pueden enfriarse ahora hasta aproximadamente 85 °C sin necesidad de invertir más en el economizador. Esto aumenta la eficiencia de la combustión y permite ahorrar hasta un 1.8% de combustible.

Esta medida de mejora de la eficiencia también puede instalarse posteriormente en instalaciones existentes con una inversión relativamente pequeña.

Resumen

La optimización de la reducción de las pérdidas de gases de combustión es una tarea prioritaria en la planificación y también en el funcionamiento de las instalaciones de calderas de vapor. A menudo se plantea la siguiente pregunta al respecto:

¿Qué medida o combinaciones de medidas conseguirán la mejor recuperación de calor?

El siguiente diagrama muestra las medidas para reducir las pérdidas de gases de combustión descritas en secciones anteriores utilizando una caldera de vapor como ejemplo.

La tecnología más adecuada para una eficiencia económica óptima de un sistema de caldera de vapor depende de la aplicación en cada caso. El "tamaño" y el nivel de temperatura de un disipador de calor de baja temperatura son especialmente decisivos a la hora de elegir la medida de mejora de la eficiencia.

Ejemplo:

 

Tasa de acumulación de condensado

c = ṁCo / ṁS

Tasa de agua de reposición

z = 1 – c

UL-S

10,000 x 16

Salida de vapor del sistema

10,000 kg/h con pavg = 13 bar

Caudal de purga

5 %

Caso

Componente

Eficiencia

   

Componentes

total

1

Caldera

88.9 %

---

2

Caldera + economizador

88.9 % + 6.5 %

95.4 %

3

Caldera + economizador + intercambiador de condensación
(con z = 0.3 / α = 12%)

88.9 % + 6.5 % + 2.8 %

98.2 %

4

Caldera + economizador + intercambiador de condensación
(con z = 0.5 / α = 20%)

88.9 % + 6.5 % + 3.8 %

99.2 %

5

Caldera + economizador + intercambiador de condensación
(con z = 1 / α = 34%)

88.9 % + 6.5 % + 7.6 %

100.9 %

6

Caldera + economizador + precalentamiento del aire
(20°C hasta 65°C)

88.9 % + 6.5 % + 1.7 %

97.1 %

7

Caldera + economizador + refrigeración del agua de alimentación
(con z = 0.3)

88.9 % + 6.5 % + 0.6 %

96.0 %

Casos prácticos de combinaciones de medidas para la mejor recuperación de calor

Los sumideros utilizados para el intercambiador de calor de condensación suelen ser agua de reposición para la producción de vapor, calefacción central de apoyo o calentamiento de agua de proceso. Lo mismo ocurre con el enfriador de agua de alimentación, que es una alternativa especialmente económica al intercambiador de calor de condensación si el caudal de agua que hay que calentar es relativamente pequeño o, como en el caso de la calefacción, el calor no puede utilizarse de forma continua durante todo el año.

Si no existe ningún disipador de calor (o sólo uno que se caracterice por fuertes fluctuaciones temporales), se recomienda utilizar el precalentamiento por aire.

Diagrama de eficiencia térmica de los sistemas de calderas de vapor con medidas para aumentar la eficiencia

Diagrama de eficiencia térmica de los sistemas de calderas de vapor con medidas para aumentar la eficiencia

Caldera (no se muestra)

     

Caldera + economizador + intercambiador de condensación
(con z = 1 / α = 34%)

Caldera + economizador

 

Caldera + economizador + precalentamiento del aire
(20°C hasta 65°C)

Caldera + economizador + intercambiador de condensación
(con z = 0.3 / α = 12%)

 

Caldera + economizador + refrigeración del agua de alimentación
(con z = 0.3)

Caldera + economizador + intercambiador de condensación
(con z = 0.5 / α = 20%)