Calderas, generadores de vapor, hornos y secaderos en Eficiencia energética

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Wikilibro: Eficiencia energética > Capítulo 5: Técnicas de ahorro y tecnologías eficientes en el uso final

Sección 5

Calderas, generadores de vapor, hornos y secaderos

Calderas y generadores de vapor

Una caldera es un intercambiador de calor en el que la energía se aporta generalmente por un proceso de combustión, o también por el calor contenido en un gas que circula a través de ella.

En ambos casos, el calor aportado se transmite a un fluido, generalmente agua, que se vaporiza o no (según la temperatura y presión de diseño), y se transporta a un equipo consumidor, en el que se cede esa energía.

Según por donde discurran los humos de combustión y por dónde lo haga el agua, las calderas se clasifican en:

Pirotubulares, o de tubos de humos

Según que el combustible sea carbón o un combustible líquido o gaseoso la forma de los hogares varían pero, en ambos tipos, los gases de combustión son obligados a pasar por el interior de unos tubos que se encuentran sumergidos en el interior de una masa de agua.

Todo el conjunto, agua y tubos de gases, se encuentra rodeado por una carcasa exterior.

Los gases calientes al circular por los tubos ceden el calor sensible, el cual se transmite a través del tubo pasando al agua, que se calienta, al mismo tiempo que la parte del agua más próxima a los tubos se vaporiza.

La presión de trabajo no excede de 29kg/cm2 y la máxima producción de vapor suele ser del orden de 25t/h.

En función del combustible, se distinguen dos tipos de calderas pirotubulares:

  • Calderas pirotubulares de carbón. Las calderas diseñadas para quemar carbón tienen un hogar amplio donde, por lo tanto, se originan pérdidas importantes de calor por convección y radiación, siendo imprescindible un buen aislamiento en el hogar. Estas calderas se pueden utilizar también para la combustión de otros combustibles sólidos.
  • Calderas pirotubulares para combustibles líquidos o gaseosos'. Se diferencian, básicamente, de la anteriores en el tamaño y/o la situación del hogar. A su vez pueden ser de dos tipos:
    • De hogar integral: El combustible quemado es líquido o gas, por lo que se obtiene una llama alargada por la parte baja del hogar, que es mucho más pequeño que en las calderas de carbón.
    • Compacta con tubo hogar: En estas calderas existe un tubo central sumergido en el agua, el cual hace de hogar. Los gases de combustión ceden calor a este tubo por radiación. Posteriormente son obligados a pasar por el resto de los tubos menores que también están sumergidos en agua.

Acuotubulares, o de tubos de agua

Normalmente en la industria se utilizan las calderas de vapor acuotubulares funcionando a presiones inferiores a 64kg/cm2 y temperaturas inferiores a 450ºC.

La diferencia principal entre este tipo de calderas y las pirotubulares es el modo en que circulan los fluidos por el interior. En el caso de las acuotubulares, es el agua o la mezcla agua-vapor la que circula por el interior de los tubos, circulando los gases entre éstos y la carcasa exterior. En las calderas pirotubulares ocurre al contrario.

Haciendo referencia a calderas con capacidades de vaporización desde 3t/h hasta 100t/h, se pueden distinguir dos tipos:

  • Calderas acuotubulares compactas
    • Construidas totalmente en talleres y enviadas como un bloque al lugar de utilización.
    • Pueden suministrarse para quemar combustibles líquidos o gaseosos.
    • Necesitan poco albañilería.
    • Se diferencian dos tipos: De hogar integral pequeñas (hasta 60t/h) y de hogar integral grandes (hasta 200t/h)
  • Calderas acuotubulares no compactas
    • Estas calderas son montadas en obra.
    • Se diferencian dos tipos: De tubos rectos y de tubos curvados

Componentes de una caldera

La estructura real de una caldera dependerá mucho del tipo que sea. No obstante, de forma general, podemos describir las siguientes partes:

  • Quemador: sirve para mezclar el combustible con aire y quemarlo.
  • Hogar: alberga el quemador en su interior, y en él se realiza la combustión del combustible y la generación de los gases calientes.
  • Tubos de intercambio de calor: el flujo de calor desde los gases hasta el agua tiene lugar a través de su superficie. También en ella se generan las burbujas de vapor.
  • Separador líquido-vapor: es necesario para separar las gotas de agua líquida en suspensión en la corriente de vapor.
  • Economizador: es un equipo de intercambio de calor para precalentar el agua líquida con los gases aún calientes, antes de alimentarla a la caldera.
  • Chimenea: es la vía de escape de los humos y gases de combustión después de haber cedido calor al fluido.
  • Carcasa: contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de calor.

Medidas de eficiencia

Se mencionan sefuidamente serie de recomendaciones prácticas para a optimizar explotación de calderas para generación de energía en plantas industriales:

Reducción de las pérdidas de calor

  • Defectos en el aislamiento térmico.
  • Fugas por bridas, prensas de válvulas, etc.
  • Funcionamiento correcto del sistema de recuperación de condensados.

Mejora del rendimiento y del funcionamiento: Funcionamiento correcto de las calderas, comprobando, especialmente, los siguientes parámetros:

  • Hollín: Se produce en combustiones incompletas. Ajustar quemadores, y realizar labores de limpieza.
  • Estanqueidad: Pueden producirse entradas parásitas de aire, o fugas de humos (atención al CO). Detectar y corregir.
  • Ventilación: Una entrada insuficiente de aire exterior puede empobrecer el contenido de oxígeno en el aire comburente, y disminuir la eficiencia de la combustión. Mantener los huecos, o rejillas de entrada libres y limpios.
  • Chimeneas: Extraer periódicamente los hollines depositados generalmente en su base, que pueden obstruir parcialmente la salida de humos, influyendo negativamente en el tiro y, por tanto, en la combustión. Además, el hollín contiene restos de azufre que en contacto con el agua de lluvia puede producir ácido sulfúrico que corroe las paredes metálicas.
  • Condensaciones en los humos: Impedir que las temperaturas de entrada de los fluidos a los economizadores o recuperadores de calor descienda por debajo del punto de rocío del anhídrido sulfuroso/sulfúrico de los humos (aprox. 130ºC), para impedir su condensación y formación de ácido sulfúrico.
  • Incrustaciones en las superficies de intercambio de calor: Verificar sistemáticamente la buena calidad del agua de alimentación y, sobre todo, del agua de caldera. Las incrustaciones en estas superficies dificultan la transmisión de calor a través de ellas disminuyendo sensiblemente el rendimiento. Puede llegar incluso, a formarse una capa tan gruesa, que impida la refrigeración de los tubos o, lo que es peor, del hogar ondulado en las calderas pirotubulares, originando su rotura o aplastamiento.

Funcionamiento correcto de los quemadores, prestando especial atención a los siguientes aspectos:

  • Comprobar que la pulverización se realiza correctamente con los combustibles líquidos. Verificar y limpiar sistemáticamente las cabezas de pulverización mecánica, o asistida, o por centrifugación.
  • Seguir meticulosamente las instrucciones del fabricante para situar exactamente los elementos en su posición correcta, manteniendo las distancias prescritas. De no ser así, se provocan encendidos defectuosos, combustiones incompletas y, como consecuencia, descenso del rendimiento.

Regulación y control de los sistemas comprobando su buen funcionamiento, especialmente en lo concerniente a:

  • Caudales, temperaturas y presiones de los combustibles.
  • Caudales, temperaturas y presiones del agua de alimentación.
  • Caudales, temperaturas y presiones del vapor, o del agua sobrecalentada que genera la caldera.
  • Valores de consigna y bandas de actuación de los distintos sistemas.
  • Actuación correcta de las protecciones y elementos de seguridad mecánicos y eléctricos.
  • Revisión y comprobación de función de cuadros eléctricos.

Información complementaria sobre Generación de Vapor.


Hornos industriales

Hornos a gas

Un horno industrial de gas es la instalación donde se transforma la energía química de un combustible en calor que se utiliza para aumentar la temperatura de aquellos materiales depositados en su interior y así llevarles al estado necesario para posteriores procedimientos industriales.

Las partes fundamentales de un horno de gas son:

  • Hogar o cámara de combustión: donde se alojan los quemadores y se generan los gases de combustión. Puede coincidir con la cámara de calentamiento o ser una cámara independiente.
  • Cámara de calentamiento: existen distintos tipos, dependiendo de la forma de operación del horno y de su función.
  • Revestimiento aislante: recubre todas las cámaras y equipos del horno.
  • Chimenea y tubos de escape de gases de combustión: Suelen ir acoplados a intercambiadores para aprovechamiento de la energía calorífica que poseen, previo a la emisión a la atmósfera.

Según su función, los hornos a gas se pueden clasificar

  • Hornos de Fusión: Su función es la de fundir los materiales. Hay varios subtipos: Crisol, Reverbero y Cubilote
  • Hornos de Recalentar: Su objetivo es el calentamiento de piezas para procesos como laminación, extrusión, forja, estampación y conformado.En todo momento se mantiene el estado sólido de las piezas, sólo buscándose su reblandecimiento. Los tipos más importantes de horno d recalentamiento son: Pit o de Fosa; de Mufla; de Campana; de Empujadora; de Viga Galopante; de Vagonetas; de solera giratoria.
  • Hornos de Tratamiento Térmico: Su función es la de inferir una propiedad al material. Algunos de los tratamientos existentes son:
    • Recocido, normalizado, temple, revenido, homogeneizado, solubilización, maduración o envejecimiento, etc.
    • Cementación, carbonitruración, nitruración, cianuración, descarburación, etc.
    • Recubrimiento por galvanización, estañado, esmaltado, etc.

Eficiencia en hornos industriales

Los factores que más influyen en la eficiencia en los hornos industriales y las técnicas a emplear se indican seguidamente.

Diseño y utilización del horno

  • La elección de tipo de horno, su capacidad, tipo de calefacción y forma de operar, debe siempre realizarse mediante un estudio técnico-económico, optimizando el diseño para adecuarlo al objetivo. Debe procurarse que el horno se utilice exclusivamente para realizar las operaciones para las que se ha diseñado.
  • Siempre que sea posible debe pasarse del trabajo discontinuo a continuo. En los procesos discontinuos deben utilizarse hornos de baja inercia térmica por alcanzar más rápidamente la temperatura de operación y tener menos pérdidas energéticas en las paradas. En los hornos de funcionamiento intermitente debe programarse el trabajo de tal forma que los tiempo de espera sean mínimos.
  • Una buena estanqueidad del horno evita entradas de aire incontroladas.
  • El empleo de materiales altamente refractarios permite temperaturas más altas de llama, con la consiguiente mejora de la eficacia.

Proceso

  • Debe trabajarse, siempre que sea posible, a plena capacidad de la instalación.
  • Debe automatizarse al máximo el control del proceso, así como la operaciones de carga y descarga , evitando operaciones erróneas.
  • Aprovechar la energía desprendida en los procesos exotérmicos.
  • No operar nunca a temperaturas más altas de lo necesario.
  • Emplear aire enriquecido y precalentado para mejorar la cinética del proceso y el balance térmico.
  • Emplear oxígeno puro como comburente para minimizar el volumen de gases de combustión.
  • Recuperar los efluentes valiosos y aprovechar térmicamente el carbono y el monóxido de carbono para producir, mediante su combustión, vapor para proceso. Acoplar el horno con el resto del proceso, utilizando su energía residual en etapas que consumen energías de calidad decreciente.
  • Utilizar quemadores recuperativos o regenerativos.

Alimentación

  • Evitar una excesiva humedad en el producto a tratar secándolo antes de su introducción al horno mediante gases residuales u otras energías semidegradadas.
  • Estudiar el almacenamiento de las materias primas, evitando, para las que capten fácilmente humedad, tiempos prolongados a la intemperie.
  • Mejorar el proceso químico y el intercambio térmico mediante la utilización de materias primas con granulometrías adecuadas.
  • Utilizar materiales semielaborados procedentes de procesos en los que se obtienen con una eficacia térmica mayor, que la que se consigue en el proceso principal.
  • Utilizar fundentes con el fin de rebajar la temperatura de operación.

Combustión

  • Optimizar la combustión utilizando equipos de análisis de gases y regulándola automáticamente.
  • Utilización de combustibles precalentados.
  • Trabajar a una temperatura de llama tan próxima a la teórica como sea posible.

Efluentes

  • No refrigerar, o no dejar enfriar, los productos intermedios que posteriormente deban ser calentados.
  • La temperatura de salida de gases y productos más adecuada es la necesaria para la etapa siguiente.
  • Si la temperatura de los efluentes es mayor que la requerida, pueden utilizarse para precalentar la carga, el aire de combustión, el combustible, utilizándolo en otra parte del mismo proceso o instalar una caldera de recuperación.
  • Si la temperatura de los gases de calentamiento es más alta de la requerida, recircular parte de los gases efluentes para disminuir el exceso de aire, limitando la temperatura en la cámara de combustión y aumentando la velocidad del gas en las zonas de precalefacción y calefacción.

Mantenimiento y pérdidas

  • Programar el mantenimiento preventivo para evitar paradas imprevistas.
  • Calcular el empleo óptimo de los aislantes para evitar temperaturas de pared excesivas.
  • Eliminar la visión desde el exterior de las zonas rojas del horno con el fin de cortar pérdidas por radiación.
  • Utilizar el calor de las refrigeraciones para usos diversos, tales como calefacción, vaporización al vacío, etc.
  • Acortar el tiempo de las paradas, evitando perder todo el calor acumulado en los hornos.


Secaderos industriales

Funcionamiento y tipos

La desecación de un producto consiste en eliminar total o parcialmente los líquidos que lo impregnan. Normalmente se refiere al agua, pero es extensible a otros líquidos como alcohol o éter.

La humedad en un producto puede estar simplemente adherida (superficial), llenar los poros (capilar) o impregnar toda la masa (constitucional).

La desecación puede ser natural, dependiendo de las condiciones ambientales y, por tanto de eficacia variable, y artificial, en cuyo caso puede realizarse de las siguientes maneras:

  • De forma mecánica, mediante prensado, aspiración, centrifugado o filtración.
  • Por procesos físico-químicos en los que la humedad es absorbida por sustancias higroscópicas (absorbentes de humedad).
  • Térmicamente con aire o gases, que arrastran la humedad evaporada.
  • Térmicamente sin aire, mediante la evaporación en autoclave, a vacío o por calentamiento dieléctrico.

Sólo en las dos últimas formas son aplicables secaderos industriales.

Se denominan secaderos a los equipos que eliminan, o reducen el contenido en líquido de un producto, utilizando energía calorífica.

Las partes básicas de un secadero son:

  • Hogar: donde se generan los gases calientes que aportarán el calor necesario para la operación de secado. Si el secadero es eléctrico, o los gases provienen de otro equipo (como el escape de un horno, esta parte no existe.
  • Cámara de secado: es el secadero en sí mismo.
  • Ventiladores: que impulsan el aire caliente a través del secadero.

Los procesos industriales de secado tienen una fuerte incidencia en el consumo energético de la industria, alcanzando un 11 % del consumo total de ésta.

Los secaderos son equipos extremadamente variables en forma y componentes, dependiendo de la aplicación específica a que se destine. Los distintos tipos de secaderos son:

  • Secaderos por conducción. Son típicos de la industria papelera, donde la banda de papel húmedo se seca por contacto con la superficie exterior de un cilindro hueco en cuyo interior se condensa vapor de agua.
  • Secaderos por convección. Pueden ser de convección natural al aire, pero son mucho más frecuentes los secaderos de convección forzada utilizándose como fluido caliente los humos procedentes de una combustión o aire calentado eléctricamente o por otros medios.
    • De gases calientes: pueden ser de varios tipos, entre los que destacan: Tipo tambor giratorio; de lecho fluidizado; a través de una mufla (horno) que los calienta, y fluidiza las partículas sólidas a secar, que se introducen por arriba desde una tolva y son descargadas por la parte inferior.
    • De aire caliente. Pueden adoptar multitud de formas entre las que destacan: Secaderos a presión atmosférica (Estufas de secado, Armarios de secado, Secaderos de toberas, Canales de secado, Secaderos de bandejas anulares); Tipo flash: en los que el producto es transportado neumáticamente por un fluido que actúa simultáneamente como transportador y como agente de secado. Están constituidos por un tubo elevador vertical en el que la corriente de aire caliente va de abajo a arriba, arrastrando el producto a secar en forma de grano fino, que se separa luego con uno o varios ciclones.
  • Secaderos por radiación. El producto es sometido a radiación, operando normalmente en continuo y con radiación infrarroja.
  • Secaderos combinados. En ellos, el secado se realiza por dos o más de las formas de transferencia de calor antes citadas.
  • Secaderos de vacío. Reducen la temperatura de evaporación del agua mediante la operación a presión reducida (vacío). Son especialmente indicados para operaciones de liofilización. Su uso es necesario cuando:
    • El producto a secar no admite prácticamente calentamiento y se requiere rapidez en el proceso. Se opera a la presión de vapor correspondiente a la máxima temperatura que admita el producto.
    • Se intenta recuperar el líquido que eliminamos del producto por su valor u otra circunstancia, condensándolo a la salida.
    • La substancia a desecar se descompone en presencia del aire.
  • Secaderos de alta frecuencia, por dielectricidad. El calentamiento y desecación se produce al someter al cuerpo a una corriente eléctrica que genera calor por efecto Joule.

Eficiencia en secaderos

Recuperadores directos

Con muchos productos no es posible funcionar con temperaturas altas del aire a la entrada del secadero porque se deteriorarían. En estos casos, la eficiencia térmica se puede incrementar volviendo a calentar parte del aire y recirculándolo a través del secadero, con el consiguiente ahorro energético que esto supone. Algunos secaderos con recuperación de calor son:

  • Secaderos turbo de bandejas: cuando no importa el contacto directo entre los gases de combustión y el producto
  • Secaderos de chorro de aire: se consigue una uniformización casi total del aire de secado y al mismo tiempo una recirculación parcial del aire ya utilizado

Recuperadores indirectos

Suponen un ahorro energético por aumentar la eficiencia térmica del equipo, de igual forma que los recuperadores directos.

  • Lecho fluidizado con tubos térmicos: se utiliza para procesar tandas intermitentes de producto. Los conductos de entrada y de salida de aire están contiguos, lo que permite la utilización de tubos térmicos para la recuperación de calor.
  • Sistemas bi-transfer: utilizan un tercer fluido como vehículo de transporte de calor entre el aire de entrada y de salida, en lugar de realizarse un intercambio directo entre ellos.
  • Intercambiadores de tubos y aletas: precalientan los gases de secado.
  • Bomba de calor: extrae calor del secadero condensando la humedad del aire saliente y recirculando el aire seco al interior de la cámara de secado. El calor absorbido por el circuito de la bomba se puede emplear para calefacción de la planta.

Reconversión del proceso de secado

  • Modificación de la forma de secado. Se trata de, en cada caso, buscar el tipo de secadero con consumo energético mínimo, y realizar un estudio económico para valorar la sustitución de éste por el actual.
  • Modificación de las condiciones de funcionamiento del secadero. Incluye varias medidas de ahorro:
    • Calentar al máximo posible el aire o los gases de secado
    • Saturar de humedad al máximo el aire o los gases de salida
    • Recircular los vahos de salida parcialmente
    • Utilizar los calores sensible y latente de los vahos de salida para precalentar el aire comburente
    • Recuperar el calor residual sensible del producto secado
    • Presecar el producto previamente en corrientes naturales o forzadas de aire atmosférico
    • Recuperar otros calores residuales de la fábrica para calentamiento del aire de entrada al secadero
    • Utilizar gases de calderas u hornos
    • Utilizar gases de escape de máquinas térmicas en el presecado o en el secado, según conveniencias
  • Mínimo secado posible. Se debe entender este punto en dos aspectos diferentes:
    • Secar el mínimo posible en términos absolutos. Esto implica que no hay que reducir la humedad del producto por debajo del contenido en humedad de equilibrio con el ambiente en el que se va a dejar posteriormente, ya que recuperaría nuevamente parte de la humedad perdida.
    • Secar el mínimo posible en secadero, lo cual implica que el producto debe secarse por otros medios antes de introducirlo en el secadero. Para ello se deben evitar humedecimientos previos de cualquier tipo, y en el caso de productos agrícolas, deben recolectarse los productos cuando están lo más secos posible.

Control del grado de secado

Se debe estudiar la curva de secado del producto, para garantizar el futuro equilibrio entre la humedad del producto secado y la del ambiente donde será depositado.

Aislamiento de secaderos

Necesario para minimizar pérdidas tanto en el hogar como a través de las paredes y del techo del secadero propiamente dicho.

Información complementaria

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