CALDERAS INDUSTRIALES

Calderas Industriales

Cuando James Watt observo que se podra utilizar el vapor como un fuerza econmica que remplazara la fuerza animal y manual, se empez a desarrollar la fabricacin de calderas, hasta llegar a las que actualmente tienen mayor uso en las distintas industrias de nuestro pas.Las primeras calderas tenan el inconveniente que los gases calientes estaban en contacto solamente con su base, y en consecuencia se aprovechaba mal el calor del combustible. Debido a esto las instalaciones industriales fueron perfeccionndose, colocndose el hogar en el interior de la caldera y posteriormente se le introdujeron tubos, para aumentar la superficie de calefaccin. Si por el interior de los tubos circulan gases o agua, se les clasifican en igneotubulares (tubos de Humo) y acuotubulares (Tubos de agua) .

Tipos de Calderas

Calderas Igneotubulares o Pirotubulares: Son aquellas en que los gases y humos provenientes de la combustin pasan por tubos que se encuentran sumergidos en el agua. Ventajas: Menor costo inicial debido a su simplicidad de diseo.Mayor flexibilidad de operacinMenores exigencias de pureza en el agua de alimentacin. Inconvenientes: Mayor tamao y peso. Mayor tiempo para subir presin y entrar en funcionamiento. No son empleables para altas presiones

Calderas Acuotubulares: Son aquellas en que los gases y humos provenientes de la combustin rodean tubos por cuyo interior circula agua.Ventajas: Pueden ser puestas en marcha rpidamente. Son pequeas y eficientes. Trabajan a 30 o mas atm. Inconvenientes: Mayor consto Debe ser alimentadas con agua de gran pureza.

Flujos de Gases en los distintos tipos de Calderas:

Algunas Fotos y Esquemas Esquema de flujo de gas de caldera con reaprovechamiento de gases:

Acercamiento a el quemador de una caldera: Tiro

La diferencia de presin conocida corrientemente por tiro se suele expresar en milmetros o pulgada de agua, su medicin se hacer por encima o por debajo de la presin atmosfrica. En la figura aprese un medidor de tiro con escala inclinada y alcance reducido. El tiro es necesario para el funcionamiento del hogar de una caldera, con el fin de poderle suministrar el aire necesario para la combustin del combustible y arrastrar los gases quemados hacia el exterior a travs de la chimenea. El tiro puede ser natural o mecnico. El primero se produce por un efecto trmico y el segundo mediante inyectores de vapor o ventiladores.

Tiro Natural Tiro Natural

Tiro Mecnico Tiro Mecnico Tiro Natural

La diferencia de presin denominada tiro natural, se produce por el efecto creado por una chimenea. Su valor depende de la altura de la boca de la chimenea sobre el nivel del emparrillado del hogar, y de la diferencia media de temperatura entre la de los gases quemados en la chimenea y la del aire exterior. Las variaciones metereorolgicas, las condiciones de funcionamiento de la caldera y la altura de la chimenea tienen una marcada influencia sobre el valor del tiro.El tiro natural no consume energa mecnica y esta indicado en pequeas centrales cuando la carga no varia considerablemente o en donde las calderas no han de desarrollar grandes producciones de vapor con gran rapidez..

Ecuaciones bsicas: El tiro terico en centmetros de columna de agua es: Donde h es la altura de la chimenea da es la densidad del aire del exterior dg es la densidad de los gases dentro de la chimenea D es el peso de un metro cubico de agua a la temperatura de la chimenea Otra forma de expresar lo anterior es: Donde : B es la presin baromtricaTa la temperatura del aire Tg la temperatura de los gases Cabe destacar que el valor terico de tiro raras veces se obtiene con una chimenea y el valor real puede se 0,8 del posible terico. La velocidad terica de los gases quemados, es: En realidad las velocidades de los gases quemados oscilan entre 30% y 50% de las velocidades tericas, debido a las rugosidades de la chimenea. El rea de la seccin recta de la chimenea, en m2 es: en donde:Q es el volumen de los gases K es el coeficiente de velocidad 0,3 a 0,5 V es la velocidad terica

VER EJEMPLO: Ver Ejemplo Ejercicio resuelto

Una central de calderas de vapor consume 9080 Kg. de Carbn por hora y produce 20 unidades de gases por unidad de Carbn quemado. La temperatura del aire del exterior es 32,2 C , La temperatura media de los gases quemados al entrar en la chimenea es 343,3 C y la temperatura media de aquellos en el interior es 260 C. La densidad del fluido del aparato medio del tiro es 996,24 Kg/m2 , y el tiro terico vale 2,29 cm de agua en la base de la chimenea, cuando al presin atmosfrica es de 760 mm/Hg . Calcular las dimensiones de la chimenea requerida. Nota: Adopte un coeficiente de velocidad de 0,4.

Solucin Suponiendo que la densidad de los gases sea igual a la del aire seco a 343,3 C, esto es, 0,5758 kg/m3 , se tiene: El dimetro de la chimenea valdr: El punto dbil de este calculo esta en elegir el coeficiente de velocidad y la relacin del tiro real y el tiro terico posible. Tiro Mecnico

El tiro creado por la accin de inyectores de aire vapor o mediante ventiladores se conoce como tiro mecnico, el cual se requiere cuando deba mantenerse un determinado tiro con independencia de las condiciones atmosfricas y del rgimen de funcionamiento de la caldera.Diferentes sistemas de tiros mecnicos. Los mas corrientes son dos: el forzado y el inducido. El tiro forzado se obtiene soplando aire en el interior de los hogares hermticos bajo las parrillas y hogares mecnicos, o a travs de quemadores de carbn pulverizado. El tiro inducido se consigue con un ventilador de chorro o con un ventilador centrifugo colocado en los humerales, entre las calderas y la chimeneas, o en la base de esta. El efecto de tiro inducido consiste en reducir la presin de los gases por debajo de la presin atmosfrica y descargar los gases a la chimenea con una presin positiva. Cuando se emplea una combinacin de tiros inducido y forzado de manera que sobre el fuego del hogar la presin es prcticamente la atmosfrica, se dice que el tiro es equilibrado. Economizadores En la mayora de los casos la temperatura de salida de los gases de la caldera supera en unos 60C como mnimo, a la temperatura de saturacin del vapor producido, por lo que la reduccin de esta temperatura permite un ahorro sensible en el aporte calorfico del equipo de combustin. En trminos generales, puede asegurarse que un descenso de 10C en la temperatura de los gases conlleva un ahorro de 0,45%, lo que representa 0,32 Kg. de fuel-oil por tonelada de vapor producido. La instalacin de economizadores a partir de calderas de 10 T/h es rentable, consiguiendo amortizaciones inferiores a tres aos.En todos los casos debe evitarse una temperatura de salida de gases inferior al punto de roco, que depender del contenido en SO2 de los gases. Si el combustible es gas natural puede reducirse la temperatura de los gases hasta valores prximos a los 130-150C y si el combustible es fuel-oil hasta temperaturas de 170-180C. Hay que tener en cuenta en estos casos que el agua de alimentacin debe precalentarse preciamente en su entrada al economizador a una temperatura mnima de 130C. Como superficie transmisora de calor se utilizan circuitos de intercambio de calor fabricados con tubo de acero al carbono aleteado.Segn sea la naturaleza de los gases de combustin estas aletas pueden ser de aluminio, si el combustible es gas natural, siendo siempre de acero al carbono si el combustible es fuel-oil o gas-oil. Como complemento a la instalacin de un economizador debe preverse siempre la instalacin de un sistema de alimentacin contnua de agua que asegure la refrigeracin del economizador permanentemente cuando la caldera est en servicio.Desgasificadores Para evitar la corrosin por oxgeno de las calderas, es necesario su eliminacin del agua de alimentacin.Esta eliminacin puede realizarse por medios qumicos con el consiguiente gasto econmico que de forma continua conlleva el consumo de aditivos y el mayor gasto energtico que supone el eventual aumento de purgas a que debe someterse la caldera para mantener el contenido de sales recomendado del agua del interior de la caldera. El sistema mas econmico y racional para producciones superiores a 6 Tn/h. es instalar un desgasificador trmico que elimina el oxgeno contenido en el agua de alimentacin aprovechando el descenso de punto de solubilidad del oxgeno al aumentar la temperatura del agua.A 100C, teoricamente, el agua no es capaz de retener ningn gas en disolucin por lo que si se eleva la temperatura del agua de alimentacin por encima de esta temperatura se logra la completa desgasificacin. En la prctica, la temperatura se eleva algo ms, por lo que para evitar el cambio a estado vapor, el depsito que contiene el agua debe presurizarse ligeramente. El conjunto desgasificador se compone de:oDesgasificador propiamente dicho con su correspondiente condensador de vahosoDepsito de almacenamiento del agua desgasificadaoRampa de vapor para alimentar al desgasificador a la presin adecuada.oCierre hidralico para crear la presin necesaria en el depsito.El agua y los condensados se introducen por la parte superior del desgasificador, y el vapor necesario para alcanzar la temperatura del agua se introduce por su parte inferior del desgasificador.Para mantenimiento de la temperatura del agua del depsito introducimos vapor al depsito. El vapor sobrante se evaca a travs del desgasificador, y en su camino se encuentra a contracorriente con el agua fra introducida, obtenindose con ello su calentamiento. Para mejorar este intercambio, en el interior del desgasificador se colocan una serie de bandejas perforadas por las que fluye el agua en una fina lluvia que mejora el intercambio trmico con el vapor. El vapor se condensa y cae al depsito junto con el agua de alimentacin. Los incondensables (gases disueltos) salen al exterior por la parte superior del desgasificador, circulando a travs de un condensador de vahos que es refrigerado por el agua fra de alimentacin antes de su entrada al depsito para condensar el eventual vapor que haya podido quedar despus de su paso por el desgasificador.AHORRO DE ENERGIA EN LA EXPLOTACION DE CALDERAS El primer objetivo de todo usuario de calderas es tratar de producir el calor necesario en los puntos de consumo al menor coste posible. Para alcanzar este objetivo se deben analizar todos los parmetros que influyen en el consumo de combustible por ser el principal factor de coste en la produccin de calor. El coste total de la produccin de calor en un perodo de de tiempo determinado se obtiene por la suma de los siguientes valores:oCoste de combustible.oCoste elctrico (ventiladores, quemadores, preparacin de combustible, bombas de agua, etc.)oCoste de agua y su tratamiento.oCoste de mantenimiento. En la TABLA I se indica una estimacin en % del coste de produccin, segn tamao de caldera, utilizando fuel-oil como combustible y supuestas 2000 h/ao de servicio de la caldera (caso vapor).TABLA I % DE COSTE ENERGETICO EN CALDERAS PRODUCCION EN TERMIAS 10002500500010000COMBUSTIBLE75,9780,6883,2183,04ELECTRICIDAD7,243,941,692,37AGUA12,5813,3613,7813,75MANTENIMIENTO4,192,001,310,82COSTE VAPOR Pta/Kg1,9861,8701,8131,817BASE CALCULO FO = 20 Pta/Kg Rend.= 89% Elect.= 15 Pta/Kw Agua + Tratam: = 500 Pta/m3 Condensados = 50% Para el captulo elctrico, en el caso de calderas en servicio, la actuacin de ahorro se limita a:Mantener la caldera en las mejores condiciones posibles de limpieza, reduciendo los depsitos de holln al mximo con el fin de no aumentar el consumo elctrico del ventilador de aporte de aire. NOTA. El efecto mas positivo (dada la relacin de coste de combustible/coste elctrico) se obtiene en el consumo de combustible por mantenimiento del rendimiento entre periodos de limpieza. Ajustar la temperatura del combustible (caso fuel) al valor mnimo, segn tipo de quemador, para mantener la viscosidad dentro de la recomendacin del fabricante del mismo. Para consumos superiores a 1500 Kg/h, puede ser interesante utilizar un viscosmetro como medio de control de la temperatura de fuel, sustituyendo los sistemas de regulacin basados en la temperatura. Si se est estudiando la compra de una caldera, debe tenerse en cuenta la potencia elctrica del equipo instalado en la caldera que depende esencialmente del tipo de quemador y prdida de carga del circuito de gases de la caldera, que deber ser el menor posible, dentro del abanico de precios existente en el mercado de calderas. El coste de mantenimiento, como puede observarse en la TABLA I no es significativo y es recomendable considerar que un mantenimiento eficiente y exhaustivo, siempre es positivo, garantizndose con ello un menor coste energtico, al incidir directamente en el consumo de combustible, el consumo elctrico y la reduccin de las probabilidades de avera. Se puede minimizar el consumo de agua y el coste del tratamiento necesario, considerando: Maximizar el retorno de condensados, con la posibilidad de alimentacin directa de los mismos a la caldera. Con un porcentaje de condensados del 80%, en una caldera de vapor saturado a 10 Kg/cm2, el ahorro de combustible es del orden dl 9% si se alimentan directamente estos condensados a la caldera, con un ahorro adicional de 82 l en el consumo de agua por cada 1000 Kg de vapor producido. Minimizar las purgas de caldera, manteniendo en todo momento, los valores del agua en el interior de la caldera de acuerdo con UNE 9100, instalando un sistema de purgas automtico tanto de fondo(lodos) como de superficie(sales).Finalmente y parmetro principal es el estudio de la reduccin del consumo de combustible actuando de acuerdo con las siguientes etapas de actuacin:Ajustar los parmetros de la combustin del quemador instalado para que la combustin del combustible se realice de forma total y completa (CO=0), sin formacin de holln (Bacharac mnimo) y con el valor del exceso de aire lo mas reducido posible. Este ajuste del quemador tiene como consecuencia adicional, reducir la temperatura de salida de gases de la caldera, reduciendo adems el volumen de gases, con la ventaja inherente de reducir el volumen de aire consumido y como consecuencia el consumo elctrico del ventilador de aporte de este aire. Ajustar la combustin de un quemador de fuel, instalado en una caldera de 5000 Kg/h, de forma que se pase de un ndice de exceso de aire de 1,5 (%CO2 = 11,3) a un valor de 1,2 (%CO2 = 14,2) tiene como consecuencia una reduccin de la temperatura de gases en chimenea de 250 a 237C con unas prdidas de calor en chimenea del 13,37% en el primer caso y del 10,17% en el segundo, con un ahorro de combustible del 3,21% y una mejora en las prdidas por chimenea del 24%. Instalar un economizador para la reduccin de la temperatura de los gases enviados a la atmsfera, calentando el agua de alimentacin antes de su entrada a la caldera, siempre que la rentabilidad de la inversin permita su amortizacin en un plazo relativamente corto (aprox. 3 aos). No deber sobrepasarse la mnima temperatura de los gases, funcin del contenido de azufre en el combustible, con el fin de evitar los problemas de corrosin por condensacin del punto de roco del SO4H2. En el caso del fuel-oil, el lmite est en los 170C con una temperatura del agua de alimentacin de 125C. Para el caso de gas natural, se considera aceptable una temperatura de 140C con temperaturas de agua de alimentacin de 70 a 100C. Supuesta una caldera con el quemador ajustdo a un valor de 14% de CO2 quemando fuel-oil, instalar un economizador con una reduccin de temperatura de gases de 250 a 170C representa un ahorro de 674 Pta/Tn. de fuel, supuesto un precio de coste del F.O. de 20.000 Pta /Tn. Dado el coste de la instalacin del economizador y su equipo asociado, segn sea el tamao de la caldera y el n de horas de servicio por ao, el retorno de la inversin se realizar en un plazo mas o menos corto. Para calderas de 15000 Kg/h trabajando 24 h/dia y a una potencia media anual del 75%, el periodo de retorno se estima en 3 aos. En el caso de gas natural, con el quemador ajustado al 10,5% de CO2, supuesto un precio de la termia de 2,155 Pta, el ahorro de combustible por una reduccin de temperatura de 250 a 140C es de 1.057 Pta por cada 10.000 termias consumidas. Este ahorro representa que a partir de calderas de 8 Tn/h trabajando 16 h/dia con una potencia media anual del 75%, el periodo de retorno se estima igualmente de 3 aos.. Tanto en el caso del fuel como del gas natural, valores superiores de potencia o de uso, reducen logicamente el periodo de retorno al mejorar la rentabilidad del sistema. En casos de calderas de potencia superior a las 10 Tn/h, instalar un sistema de control y regulacin de O2 asegura mantener las condiciones ptimas de combustin en todo el rango de modulacin del quemador, con independencia de la calidad del combustible y condiciones ambientales, actuando sobre el aire de combustin (El ventilador aporta volumen de aire, pero en la combustin se necesitan Kilos). La instalacin de este sistema de control de O2, permite estimar unos ahorros de combustible del 1,5% que supuesto un periodo de retorno mximo de 3 aos, es rentable instalar este sistema a partir de un consumo anual de 2.350 Tn. de F.O. o equivalente en gas natural.Estudiado cuanto antecede, la suma de actuaciones en cada apartado, optimizando el funcionamiento de la caldera, da lugar a resultados economicamente interesantes por la rentabilidad que se obtiene al adoptar una poltica de ahorro energtico integral. Como resumen, ilustramos un caso de una caldera utilizando gas natural de una produccin media (10 Tn/h) cuyas condiciones de servicio son las siguientes:Presin vapor 10 Kg/cm2Temperatura salida gases244C%CO28,7Retorno condensados75% (Depsito condensados)Temp. agua alimentacin100CHoras/dia12Dias/ao250Potencia global media ao75% Se indica que inversin debe realizarse para obtener unas condiciones de servicio de:Temp. salida de gases 140C%CO210,4 instalando un sistema de control y regulacin de O2, con alimentacin directa de condensados a caldera. El resumen de datos, clculos, ahorros y coste de la inversin de las distintas acciones a realizar se resumen en la TABLA II.TABLA II AHORRO/INVERSIONCONCEPTOSINICIO AJUSTE QUEMADOR ECONOMIZADOR ALIMENTACION DIRECTA A CONDENSADOS CONTROL O2 AHORRO AGUAT GAS C244233140-----------------%CO28,710,410,4------------------% RENDIMIENTO 87,489,6793,87------1,5% anual------CONSUMO GN Th 6464,56300,960195631,2------------AHORRO Th------163,6281,9387,8------------AHORO Th/ao------343.560591.990814.380177.382 1470 m3/aoAHORRO Pta/ao ------740.3711.275.7381.754.989382.260705.000INVERSION------100.0006.000.0002.000.0002.100.000------TOTAL INVERSION = 9.200.000 PtaTOTAL AHORRO = 4.888.358 PtaAHORRO 2 ao y sucesivos = 4.117.987 PtaPLAZO DE RETORNO = 2 ,5 Aos EL MITO DE LA SUPERFICIE DE CALEFACCION EN LAS CALDERAS PIROTUBULARES Es una costumbre generalizada valorar las calderas por la superficie de calefaccin total que disponen, considerando que a mayor superficie de calefaccin, la caldera ser mejor en relacin a otra de superficie inferior. Un anlisis profundo de una caldera debe comportar los siguientes aspectos: oDiseo de la caldera en sus aspectos de facilidades de inspeccin, mantenimiento y eventuales reparaciones. oDiseo de la caldera en relacin a la absorcin de las dilataciones diferenciales que se producen entre sus partes. oSistema de unin tubo/placa y en especial en la placa tubular de la cmara trasera de hogar. oTipo de unin placas/envolvente. oDimensionado del hogar, comprobando los valores de carga y densidad especfica en relacin a las indicaciones de TA-LUFT y Normas DIN de dimensiones de llama: Carga especfica = 0,2*Qi1/2siendo Qi el calor introducido en Kcal/h. oTemperatura de los gases al final del hogar y a la entrada del primer haz tubular. oN de tubos, tamao y longitud del primer haz tubular. oN de tubos, tamao y longitud del segundo haz tubular. oTemperatura gases al final del primer haz tubular y a la salida de la caldera. oVelocidad de los gases en las diversas partes de la caldera. oPrdida de carga del circuito de gases. oEspesores de las distintas partes del cuerpo a presin y calidad de los materiales empleados. oVolmenes de la cmara de agua y vapor, as como, superficie de evaporacin (plano de agua) oSistema separador de vapor. oTipos de controles y seguridades. oMarca de todos los accesorios, equipos y valvulera instalados en la caldera. oTipo de equipo de combustin. Produccin mnima garantizada. Como se puede ver, el valor de la superficie total de la caldera no aparece en el anlisis anterior y como mucho tenemos el anlisis de las distintas superficies de calefaccin que componen la caldera y que tienen un comportamiento diferente. Indicamos unos valores medios orientativos de los flujos calorficos a travs de las distintas partes de una caldera: Tubo hogar124.300 Kcal/h 220 Kg/h Cmara hogar64.400 Kcal/h 114 Kg/h (Valor medio) Envolvente31.600 Kcal/h 56Kg/h Placa tubular145.700 Kcal/h 258 Kg/h Placa trasera157.500 Kcal/h 278 Kg/h Primer haz21.400 Kcal/h 38 Kg/h Segundo haz6.000 Kcal/h 10,6 Kg/h Segn sea la importancia relativa de una superficie frente a otra, el valor medio variar, de forma que si se aumenta la superficie de los haces tubulares y en especial el segundo, el valor medio de Kg/m2 total de la caldera bajar, sin que ello quiera decir que se mejoran las prestaciones de la caldera. En los primeros diseos de este tipo de calderas pirotubulares, de hogar interior, cmara hmeda y tres pasos, alrededor del inicio de los aos sesenta se diseaban con vaporizaciones medias de 25 Kg/m2 con hogares sobredimensionados y gran nmero de tubos y gran dimetro, ofrecindose al mercado "calderones" en comparacin con las dimensiones actuales de calderas de igual produccin. A medida de que los incrementos de coste de los materiales y en especial de la mano de obra fueron siendo mas importantes, se tuvieron que disear calderas con tasas medias de vaporizacin superiores, reduciendo significativamente la superficie de calefaccin por conveccin (haces tubulares) que da las tasas de transferencia de calor mas pequeas, por medio de menor nmero de tubos y en ciertos casos de menor dimetro, adems de ajustar las dimensiones del hogar a los valores lmites segn Normativa, en funcin de la potencia nominal de la caldera. Esta evolucin en el diseo fu tan espectacular que se alcanzaron diseos con tasas medias de evaporacin de 60 Kg/m2 que comportaban unas prdidas de carga elevadas en el circuito de gases. Actualmente los principales fabricantes europeos de este tipo de calderas, con producciones anuales de mas de 3000 unidades, diseos sus calderas bajo los siguientes patrones: oHogares dentro los lmites DIN y TA-LUFT oTemperatura mxima de entrada de los gases al primer haz tubular de 1000 C oRendimiento (sin economizador) : 89,5 90% oPrdida de carga en el circuito de gases : 40 a 120 mmH2O (variable, incrementndose con el tamao de la caldera). Estas condiciones dan como resultado unas tasas medias del orden de 45 55 Kg/m2, sin que este valor sea indicativo de nada mas. Finalmente , otro mito existente en el mercado de las calderas es de que el precio de venta de una caldera debe ser proporcional a su superficie de calefaccin. Veamos una descomposicin tpica del precio de venta de una caldera de vapor: Cuerpo a presin (Chapa y tubos)17.14% Complementos (Bancada, aislamiento, Cajas)9,47%Mano de Obra22,70% Accesorios4,84% Doble bomba de agua4,98% Cuadro elctrico4,55% Equipo de combustin36,32% TOTAL100 % Una variacin de un 20% en la superficie de calefaccin media de una caldera, afectar principalmente a los tubos y en una reduccin de mano de obra adems de una ligera disminucin del valor de las chapas del cuerpo caldera y aislamiento. Estas reducciones afectaran solo al 49,31% pues los accesorios, bombas quemador y cuadro elctrico permanecen invariables. Esta reduccin como mximo podra alcanzar un 4% del valor total de la caldera y dado que un 50% del precio de la caldera depende del equipo instalado en la caldera podra darse el caso de que calderas con menor superficie de calefaccin fuesen del mismo precio que otras de mas superficie, debido a las eventuales diferencias de calidad y por ende de precio entre estos accesorios. As pus, valorar en su justa medida la relacin calidad/precio de las diversas calderas existentes en el mercado, conlleva un estudio en profundidad de los equipos que afectan prcticamente al 50% del precio y que normalmente son los causantes de los problemas que pueden aparecer durante el servicio de la caldera, tales como, quemador, vlvulas de cierre y seguridad, elementos de control, etc. El fabricante de una caldera, debe ser libre de escoger el diseo que considere mejor desde su punto de vista tcnico-comercial y el Comprador solamente debe exigir una garanta real sobre la prestacin y rendimiento de la caldera, as como, vida del equipo instalado, una vez convencido de la caldera a adquirir tras realizar el anlisis exhaustivo indicado al inicio y olvidados los mitos de las tasa media de vaporizacin.LA DESGASIFICACION TERMICA Y SUS VENTAJAS De acuerdo con las especificaciones de la Norma UNE 9.100 relativas al agua de alimentacin para las calderas, el contenido de O2 disuelto en el agua debe ser nulo. Para obtener esta eliminacin del oxgeno disuelto en el agua se puede utilizar el metdo qumico por adicin de un captador de O2, tal como: Hidracina, Aminas o Sulfito sdico (SO3Na2), o por un sistema fsico como es el de calentar el agua de alimentacin a la caldera por encima de los 100C, temperatura a la cual el agua no puede contener gases en disolucin. En las industrias del ramo de la alimentacin est prohibido el uso de Hidracina Aminas y derivados por la toxicidad de estos productos y su eventual contaminacin de los productos elaborados, por lo que para la eliminacin del O2 del agua de alimentacin solo queda el recurso de utilizar el sistema de adicin de sulfito o la eliminacin del O2 por desgasificacin trmica.Un desgasificador trmico consiste en una cmara colocada sobre el tanque de alimentacin de agua a la caldera que contiene una serie de bandejas perforadas por las que cae el agua de alimentacin introducida por su parte superior y circulada a contracorriente esta lluvia de agua en finas gotas por vapor producido por la caldera o por el revaporizado de los condensados recogidos logrndose con ello su calentamiento y como consecuencia la separacin del aire disuelto en el agua. Para asegurar que la eliminacin ha sido completa se eleva la temperatura del agua hasta los 102 -105C por lo que el conjunto de desgasificador y depsito de alimentacin deben estar cerrados y presurizados a una presin de 0,5 Kg/cm2 que se obtiene por el propio vapor alimentado. La salida de los incondensables (aire) se realiza por la parte superior del desgasificador mediante un vlvula de punzn que comunica con la atmsfera. La instalacin de un sistema de desgasificacin trmica del agua de alimentacin de una caldera ofrece las siguientes ventajas: oAlimentacin de agua a la caldera a 105C, reduciendo los inconvenientes de los choques trmicos y las oscilaciones de presin en los casos de alimentacin de agua del tipo Todo/Nada.oReduccin del porcentaje de purgas a realizar en la caldera para mantener el contenido de sales disueltas segn se especifica en la norma UNE 9100.oComo consecuencia de lo anterior, reduccin en la cantidad combustible consumido.oEliminacin del coste correspondiente al consumo de sulfito. Estos ahorros pueden alcanzar un valor a considerar y son funcin en cada caso de las condiciones particulares de cada instalacin. Transcribimos en la Tabla siguiente el contenido de O2 en el agua en funcin de la temperatura de la misma. Temperatura C Oxgeno (mg/l)10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 11.2 9,13 7,56 6,71 5,71 4,85 4,07 2,85 1,5 0,12 La reaccin qumica de 2SO3Na2 + O2 = 2SO4Na2 nos indica que la proporcin en peso es de que 2 x 126 g de sulfito reaccionan con 32 g de oxgeno para dar 284 g de sulfato sdico. Supongamos el caso de una caldera de 10.000 Kg/h de vapor a 10 Kg/cm2 que se alimenta con agua de una salinidad de 120 mg/l y que la salinidad del agua en el interior de la caldera debe mantenerse como mximo en un valor de 4000 ppm.En la Tabla siiguiente se indica la relacin exixtente entre el % de retorno de condensados, la temperatura del agua de alimentacin, el contenido de O2 y el porcentaje de purgas a realizar para mantener las condiciones reglamentarias de 4000 ppm en el interior de la caldera. RENDIMIENTO ENERGETICO: CENTRALES ELECTRICAS TRADICIONALES VERSUS PLANTAS DE COGENERACION Cuando una empresa decide instalar un sistema de cogeneracin su objetivo es el reducir su factura energtica al generar de forma conjunta electricidad y calor. El coste de generar electricidad y calor en la propia planta undustrial es inferior a la suma de los costes de la electricidad y del combustible empleado en la generacin del calor necesario. Vamos a analizar el rendimiento energtico de una central elctrica tradicional y el de las distintas formas de cogeneracin. La ventaja de la cogeneracin esta en el mejor aprovechamiento de la energa primaria necesaria para producir la misma cantidad de electricidad en una central convencional, utilizando el mismo tipo de combustible. En la TABLA I se indican los rendimientos energticos de las centrales convencionales segn el tipo de combustible empleado.TABLA I RENDIMIENTO ENERGETICO DE CENTRALES CONVENCIONALES Ref.: P.C.S. COMBUSTIBLE Kcal/KwheKwhe/KwhtFuel-Oil (Central con caldera) 2.550 0,337Gasoil(Central con motor Diesel)2.600 0,331Hullas y antracitas 2.800 0,307Lignitos negros 2.900 0,297Lignitos pardos 3,180 0,270Gas natural 2.500 0,344En la TABLA II se relacionan los valores de P.C.S. y P.C.I. de los combustibles lquidos y gaseosos empleados en motores y turbinas. A la vista de las tablas citadas, teniendo en cuenta que las prdidas por transporte y distribucin de la electricidad desde la central hasta la conexin en el autogenerador es del 10,2%, los consumos especficos referidos al PCI de una central convencional son los siguientes por aplicacin del mtodo de clculo siguiente: TABLA II POTENCIAS CALORIFICAS COMBUSTIBLEPCS/Kg(Nm3)PCI/Kg(Nm3)GAS NATURAL10.558 9.300GASOLEO 10.695 10.000FUEL-OIL 10.288 9.600Consumo especfico de GN(PCS) segn TABLA I:2500Kcal/KwheRelacin PCI/PCS:9300/105580,904 Consumo especfico de GN (PCI)2260Kcal/KwheCambio a Kwht:2260/8602,628Kwht/KwheConsumo especfico de GN en central (PCI): 23,628 / (1-0,102) 2,926 Kwht/Kwhe y el consumo especfico de energa (gas natural) mximo que puede tener el industrial que aspire a tener el ttulo de cogenerador ser de 2,926*(1-0,45) = 1,609 Kwht/Kwhe. En la TABLA III se indica los consumos especficos de los combustibles lquidos y gaseosos normalmente empleados en cogeneraciones industriales. TABLA III CONSUMOS ESPECIFICOS REFERIDOS AL PCI PARA OBTENER EL TITULO DE COGENERADOR COMBUSTIBLE CONSUMO CENTRAL Kwht/Kwhe CONSUMO COGENERADOR Kwht/KwheGAS NATURAL 2,9261,609GASOIL3,1471,731FUEL-OIL3,0811,694En una instalacin determinada, el clculo del aumento del consumo especfico sobre una central convencional se realizar considerando la energa elctrica producida y el consumo de energa aportada por el combustible por encima del necesario para la produccin del calor til obtenido por el sistema de cogeneracin instalado, considerando un rendimiento del 89% en la produccin de esta cantidad de calor en un sistema tradicional. As pus: Si el valor obtenido aplicando la frmula anterior es inferior a los valores indicados en la TABLA III (segn combustible), el industrial est en condiciones de solicitar el ttulo de cogenerador y beneficiarse de las ventajas fiscales establecidas en la Ley de Conservacin de la Energa, pues el ahorro mnimo sera:2,926 - 1,609 = 1,317 Kwht/Kwhe. Logicamente, cuanto menor sea el aumento de consumo especfico o mayor sea el ndice cogenerador, mayor rentabilidad ofrecer la instalacin de cogeneracin a instalar. A travs de los casos que presentamos seguidamente, relativos a utilizar gas en turbina o motor Diesel o quemar fuel-oil en un motor Diesel, parece claro que debe disearse la caldera para una utilizacin lo ms cercana posible al 100% de su capacidad nominal, recuperando el mximo calor posible de los gases que debern ser enfriados hasta temperaturas ligeramente superiores al punto de roco, segn sea el contenido de azufre del combustible, utilizndose para ello economizadores, teniendo en cuenta de que en el mismo no se produzca vaporizacin, an a bajo cargas.En la prctica si el combustible es gas pueden enfriarse los gases hasta los 120C, si el combustible es gasleo hasta los 170C y si es fuel-oil no deber ser inferior a los 200C. Finalmente si la cogeneracin se realiza con motores Diesel, es bsico que se pueda consumir el mayor porcentaje posible del calor de los circuitos de refrigeracin en forma de agua caliente. CASO TURBINA CON GAS NATURAL Veamos el caso de una instalacin de cogeneracin con una turbina de gas cuyas condiciones de servicio son: