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, incluyendo generadores de vapor, hornos y secaderos son los equipos que consumen la práctica totalidad de los combustibles en la industria. Por ello, es preciso conocer su funcionamiento, criterios básicos de diseño y las medidas de ahorro y eficiencia más comunes. En los siguientes párrafos se introducen tales conceptos.

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.

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