Siga estos consejos a la hora de diseñar, especificar y operar calderas y sistemas de agua caliente. Será más eficiente y ahorrará dinero.
Buscar opciones sustentables para operar con los menores costos posibles es una tarea cada vez más asumida por los sectores productivos del país, más aún en estos tiempos de carestía y escasez energética. En ese contexto, el objetivo del presente artículo es entregar información técnica para diseñar, especificar y operar sistemas de agua caliente industriales con la mayor eficiencia posible. Esto, por cierto, se traducirá en beneficios económicos y ambientales asociados a estas tecnologías de gran uso en los más variados procesos industriales.
A menudo se observan diversos problemas en la operación de sistemas de agua caliente, debido a deficiencias en el diseño, selección de sus componentes principales, control de temperatura y presión, así como también la utilización de condiciones de funcionamiento incorrectos. Analizaremos, entonces, las distintas características que son propias de esta problemática. Por eso, preste atención, apunte y luego ponga en práctica estas recomendaciones.
Selección de Calderas
Los parámetros que deben considerarse en la especificación de una caldera de agua caliente son los siguientes:
• Potencia
• Temperatura a proceso (salida)
• Diferencia de temperatura (salida - retorno)
• Caudal (máximo - mínimo)
• Presión de trabajo
• Altura sobre el nivel del mar
La potencia está dada por el requerimiento de calor del proceso al que se suministrará el agua caliente y, por tanto, el caudal será el resultante de la diferencia de temperatura del agua entre la salida y el retorno.
La norma internacional BS - 2790 recomienda considerar una diferencia de temperatura entre la salida y el retorno menor a 25 °C, para evitar choques térmicos en la caldera. También se recomienda no operar con temperaturas de salida y retorno inferiores a 75 °C y 65 °C, respectivamente, para prevenir problemas de condensación de los productos de la combustión.
En caso de que la temperatura ambiente sea muy baja, se podría considerar aislación en la chimenea para prevenir la condensación del agua presente en los productos de la combustión.
La presión de trabajo recomendada por la norma BS - 2790 para prevenir problemas de ebullición del agua del sistema, está dada por la presión de saturación de vapor a una temperatura de 17 °C por sobre la temperatura de salida.
Presión trabajo = Presión saturación (Temperatura salida + 17 °C)
En la figura 1 se grafica la relación entre la presión de operación y la temperatura de salida de agua caliente desde la caldera.
Figura 1: Presión de trabajo vs. temperatura de salida agua caliente
Otro factor importante que es necesario considerar en la especificación de una caldera de agua caliente es la temperatura en chimenea para evitar problemas de condensación ácida.
La tabla 1 muestra las temperaturas mínimas recomendadas de acuerdo al tipo de combustible que se utiliza en las calderas.
Tabla 1: Punto rocío ácido y temperatura mínima en chimenea
|
Combustible
|
Punto de Rocío Ácido
|
Temperatura Mínima Chimenea
|
|
Gas Natural
|
65ºC
|
121ºC
|
|
Petróleo Liviano
|
82ºC
|
135ºC
|
|
Petróleo Bajo Azufre
|
93ºC
|
148ºC
|
|
Petróleo Alto Azufre
|
110ºC
|
160ºC
|
En el caso de calderas con una potencia térmica superior a 1 MW se recomienda considerar sistemas de control de combustión modulante para el quemador.
Para el diseño y fabricación de este tipo de calderas, se utilizan frecuentemente las normas BS - 2790 y ASME (Sección IV - Heating Boilers y Sección I – Power Boilers).
Componentes Principales
Además de la o las calderas, existen los siguientes componentes principales asociados a un sistema de agua caliente:
• Estanque de expansión:
Tiene por finalidad absorber dilataciones térmicas que se producen durante el calentamiento y mantener la presión del sistema por sobre la presión definida en el punto 2, para prevenir problemas de ebullición.
La presión del sistema de agua caliente se logra ubicando el estanque de expansión a una altura suficiente para obtener una columna de agua adecuada, o bien presurizándolo con aire o algún gas inerte.
• Bombas de recirculación:
Las bombas tienen por objetivo recircular el agua entre la caldera y los puntos de consumo, para permitir el transporte del calor entregado al agua.
Estas bombas se deben seleccionar, considerando los siguientes parámetros: presión del sistema, caudal de agua, pérdida de carga del sistema y temperatura del agua.
• Consumos:
Los consumos, de manera habitual, se generan por intercambiadores de calor, que permiten entregar el calor del agua al proceso (por ejemplo: agua, electrolito, aire, etc.)
Ojo con las Conexiones
Para las funciones de interconexión de la caldera, la bomba de recirculación y el estanque de expansión es necesario tomar en cuenta las siguientes recomendaciones.
En el caso de la caldera, lo más apropiado es que la línea de retorno llegue a la tobera más próxima a la placa tubular más fría, es decir, la opuesta a la cual posee la descarga del fogón.
En una caldera tradicional de tres pasos, el retorno debería volver a la tobera ubicada más cerca del frente de la caldera y, por lo tanto, más lejana a la placa trasera (o caliente).
Esta recomendación tiene como objetivo evitar choques térmicos relacionados con la mayor diferencia existente entre la temperatura del agua de retorno y la placa más caliente.
Estos choques térmicos podrían provocar la formación de grietas en la unión de tubos con la placa trasera.
Las bombas de recirculación se deben ubicar aguas abajo de la caldera, de tal manera que ésta no se exponga a la presión de descarga.
La presión de descarga de las bombas estará dada por la presión del sistema (ver figura 1) sumado a la pérdida de carga del sistema de agua caliente.
La pérdida de carga del sistema de agua caliente puede ser bastante elevada, dependiendo de la longitud y resistencia de los intercambiadores de calor y válvulas de control.
El hecho de ubicar las bombas aguas abajo de la caldera permite reducir la presión de diseño de ésta y, por lo tanto, también su costo.
A modo de referencia, la pérdida de carga de una caldera de agua caliente es de aproximadamente 1 m c.a.
El estanque de expansión se debe ubicar aguas arriba de las bombas de recirculación, para mantener presurizada la succión de éstas, evitando así el ingreso de aire (O2) al sistema.
Las figuras 2, 3 y 4 muestran sistemas típicos de agua caliente, en los cuales las diferencias entre ellos tienen principalmente relación con el tipo de control de temperatura empleado.
- Sistema de Flujo Constante en Caldera
La figura 2 muestra un sistema de agua caliente en el cual el flujo de agua que circula por la o las calderas es constante y el control en los consumos se realiza mediante válvulas de tres vías, una vía o velocidad variable en ramales.
Cada caldera cuenta con una bomba de recirculación de agua y descarga a un manifold de distribución común.
Figura 2: Sistema de agua caliente de flujo constante
Esta aplicación debe incluir un sistema de regulación de presión, que permita compensar las variaciones de caudal en los ramales.
El ajuste de la carga del quemador o modulación se realiza respecto de la temperatura del agua enviada a los consumos.
- Sistema de Flujo Variable en Caldera
Al igual que para el caso anterior, la modulación del quemador se realiza considerando la temperatura del agua a los consumos como variable de control.
Figura 3: Sistema de agua caliente de flujo variable
La diferencia de este sistema con respecto al anterior, es que el flujo de agua que circula a través de las calderas es variable y existe una única bomba de recirculación común.
El sistema de control considera un variador de frecuencia incorporado a la bomba de recirculación. La variable a controlar es la presión de alimentación a los consumos. El control en éstos se realiza mediante válvulas de una vía, cuya variable es la temperatura del producto a calentar.
- Sistema de Flujo Constante en Caldera y Variable en Consumos
El último sistema considerado contempla flujo constante en las calderas y recirculación entre un manifold de distribución y uno de retorno.
La alimentación desde el manifold de distribución a los consumos se realiza mediante bombas específicas para el consumo en particular.
Figura 4: Sistema agua caliente de flujo constante en caldera y variable en consumo
Existen también otras configuraciones que, dependiendo de la aplicación, pueden resultar más convenientes que las mostradas.
Tratamiento de Agua
Considerando que los sistemas de agua caliente corresponden a circuitos cerrados con nulo o muy bajo consumo de agua de reposición, existe la creencia de que no es necesario preocuparse del tratamiento de agua.
Si bien es cierto los requerimientos de tratamiento de agua no son tan exigentes como para el caso de las calderas que generan vapor, de todas formas deben considerarse en sistemas de agua caliente para prevenir corrosión y formación de depósitos.
Las siguientes son las características recomendadas para el agua de reposición o make up:
• pH a 25 °C = 8 - 10.5
• Dureza total < 0.1 °dH
• Oxígeno < 0.1 mg/l
Las características recomendadas para el agua del circuito de agua caliente son las siguientes:
• Aspecto general: incoloro
• pH a 25 °C: 9.5 – 10.5
• Ks8,2: 0.5 – 5.0
• Dureza < 0.1 °dH
• Oxígeno < 0.02
• Conductividad: 100 - 1500 µS/cm
• Hidrazina: 0.2 – 3.0 mg/l
• Sulfito de Sodio: 5 – 10 mg/l
• Fosfatos: 5 – 15 mg/l
Puesta en Servicio
Un aspecto de suma importancia que se debe considerar al momento de poner en servicio un sistema de agua caliente es el procedimiento que se va a emplear.
La puesta en servicio se debe realizar en forma gradual, operando siempre con el quemador en llama mínima y observando que la diferencia de temperatura entre salida y retorno no sea excesiva, de modo tal de no provocar choques térmicos.
La principal finalidad de la presentación de todas estas recomendaciones respecto del diseño y operación de sistemas de agua caliente es la de reducir, en la medida de lo posible, los problemas que con frecuencia observamos en estos sistemas y, de esta manera, contribuir a su mejor funcionamiento.
Por Arnulfo Oelker Behn
Thermal Engineering Ltda.
|
