Ya hemos postulado que el principal punto de fuga de la eficiencia en las calderas es la chimenea. La cual canaliza cuantiosas cantidades de energía desaprovechada a través de los gases de combustión que emanan por ella. Entonces, la pregunta natural que cualquier usuario debería hacerse, es: ¿Cómo podemos disminuir aquella fuga de “dinero quemado”?

Para poder responder esta pregunta inicialmente debemos comprender algún limitante físico determinado por el funcionamiento de una caldera.

Cómo todos los lectores de la revista saben, las calderas cumplen la función de transformar agua en vapor a una determinada temperatura, o en algunos otros casos, simplemente calentar el agua hasta un determinado valor. En otras palabras, conceptualmente una caldera es un intercambiador de calor, donde de un lado tenemos agua y del otro una fuente de energía calórica (normalmente los gases de combustión de diversos combustibles, según sea el caso).

También se explicó en artículos anteriores que la cantidad de calor que se pierde con los gases de combustión a través de la chimenea, se puede calcular de diferentes formas. Y un método simple para hacerlo en forma simplificada es el de la fórmula de Siegert.

Siendo:

qg:    Porcentaje de pérdidas de calor a través de la chimenea

th:     Temperatura de los gases de combustión (humos)

tA :   Temperatura aire de combustión (tomado desde el ambiente)

A y B:  Factores específicos del combustible

21 :  Contenido de oxígeno del aire

O2 :  Contenido de oxígeno medido (indicador del exceso de aire)

Donde claramente se puede concluir que el calor perdido a través de la chimenea será mayor, cuanto mayor sea el exceso de aire y cuanto mayor sea la temperatura de los gases:

El tema del exceso de aire fue tratado en el número anterior, y la problemática de la temperatura de los gases, la estamos abordando en el presente.

Prosiguiendo con el análisis, y viendo la caldera como un intercambiador de calor, intuitivamente podemos comprender que la temperatura de salida de gases de la caldera no puede ser menor que la del fluido que estamos calentando: el agua. Pues de ser así, el agua sería la que le estaría transmitiendo calor a los gases y no a la inversa. Por lo que ahora entendemos que los gases que salen de la caldera, siempre tendrán mayor temperatura que el agua. Y a su vez, la temperatura del agua de adentro de la caldera de vapor está directamente relacionada con la presión de trabajo de la misma. Que es la temperatura de cambio de estado del agua. Así, por ejemplo, en una caldera de vapor que opera a 10 bar(m) el agua estará a 184°C, en una que opera a 8 bar(m) el agua estará a 175°C, en una que opera a 6 bar(m) estará a 165°C, etc.

Luego, siguiendo con el mismo razonamiento, tenemos que entender que cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre el agua y los gases de combustión, más simple será la transferencia de calor. Pero cuanto mas cerca están esas temperaturas entre sí, más difícil será el proceso de transferencia de calor y mayor será la superficie de intercambio de calor que tiene que tener la caldera, para absorber el calor. Por eso, normalmente en equipos tradicionales del mercado, la temperatura de gases saliendo por la chimenea está en el orden de entre 60°C y 70 °C por encima de la temperatura del agua que estamos evaporando. Así, en una caldera de vapor que opera a 10 bar(m) los gases saldrán entre 244°C y 254°C.

Importante: nótese que los valores son ejemplo y estamos hablando de calderas tradicionales, operando con bajo exceso de aire, tipo humotubulares o pirotubulares. Los valores podrías ser algo diferentes según el diseño, y la superficie de intercambio que tenga la caldera, pero conceptualmente el fenómeno es el mismo para cualquier caldera.

Conclusión: la temperatura de salida de gases de combustión estará por encima de un determinado valor, dependiendo de la temperatura del agua que evoluciona dentro de ésta. Por lo que la solución para disminuir la temperatura de los gases y consecuentemente la mejora de eficiencia, hay que lograrla a través del agregado de intercambiadores de calor adicionales a ser instalados en la salida de gases de la caldera.

Dichos intercambiadores absorberán calor calentando, por ejemplo, el agua de alimentación a la caldera, el aire de combustión o cualquier otro fluido del proceso industrial al que haga falta aportarle calor. Sin embrago, esta última condición es particular de algunas pocas industrias y el calentamiento del aire de combustión atenta contra la disminución de los óxidos de nitrógeno que se forman durante la combustión. Por lo que lo habitual hoy en día, es el calentamiento del agua que ingresa a la caldera, a través de lo que se conoce como economizadores.

En el gráfico puede apreciarse que por cada 100K (o grados Celsius) que se logra disminuir la temperatura de gases de escape, la eficiencia térmica se incrementa en aproximadamente 5%

 Diseño de los economizadores

Tal cual lo mencionado, se trata de intercambiadores de calor, donde de un lado hay gases de combustión y del otro lado hay agua. Entonces, como todo proceso de intercambio de calor, uno de los fluidos podrá recibir tanto calor, así como el otro pueda entregar, y el otro fluido podrá entregar tanto calor, así como el segundo pueda recibir. Es decir:

Intuitivamente también, el lector comprenderá que el coeficiente de transferencia térmica del agua es mucho mayor que el de los gases de combustión. Por lo tanto, en nuestro caso, el fluido que estaría “limitando” la transferencia de calor es el gas de combustión. Ese desequilibrio se puede nivelar con el aumento de la superficie de intercambio de calor. Es decir, si los gases de combustión tienen un coeficiente de transferencia térmica menor que el lado agua, la solución pasa por aumentar la superficie de intercambio de calor del lado gases. Así nacen lo que se conoce como superficies extendidas del lado gases. Que en la práctica son, por ejemplo, tubos aletados o con pines, que dan mayor superficie de contacto al lado con menor transferencia térmica. Logrando de esta forma aumentar la cantidad de calor que pueden entregar los gases, análogamente a la que puede recibir el agua que se encuentra del otro lado, con una superficie de contacto (intercambio) menor.

Figura: Ejemplo de distintos tipos de superficies extendida.

Básicamente el economizador consiste entonces en una o varias serpentinas de tubos lisos o preferentemente con superficie extendida, donde por dentro del mismo circula agua y por la parte externa circulan los gases de combustión. Ejemplo:

Figuras:  Vista en corte de un economizador (izquierda) y foto del mazo de tubos aletados: El corazón del economizador (derecha)

Consideraciones a tener en cuenta en los economizadores

Tal cual se aprecia en la explicación anterior y en el gráfico correspondiente, el recupero de calor de los gases que salen desde la caldera permite ahorros de energía muy interesantes. Sin embargo, es necesario tomar precauciones para evitar inconvenientes:

Lazo de control de extremo frío

Los economizadores tradicionales están construidos de acero al carbono. Material susceptible a la corrosión y por lo tanto se debe evitar que se produzca condensación de los vapores de agua que traen consigo los gases de combustión. Lo que se producirá en caso que éstos se enfríen por debajo de a temperatura de punto de rocío. Para evitarlo, los economizadores bien diseñados cuentan con el lazo de control de referencia. Dicho control, en caso que la temperatura de gases llegue a un valor cercano a la temperatura del punto de rocío, desvía automáticamente el agua que debería ingresar al economizador. De esta forma, al haber menor circulación de agua por el equipo, los gases se enfrían en menor medida y se aleja la condición indeseada.

Evaporación dentro del economizador

Los economizadores están diseñados para calentar agua. Si el agua que circula dentro de ellos se evaporase, entre otros efectos produciría golpes de ariete y probablemente daños internos. Para ello también se coloca un lazo de control que incrementa la circulación de agua a través del economizador, si la temperatura del agua estuviese alcanzando valores propicios para evaporarse. Entonces, con una mayor circulación de agua hay mayor absorción de calor y la temperatura del agua disminuye, evitando la condición indeseada.

Circulación de agua por el economizador

Como se ha explicado, la finalidad del economizador es la de recuperar calor. Pero si por este no circula agua, ese objetivo no se logra. Además, se produciría evaporación del agua que queda remanente en la serpentina del equipo, que como mencionamos es indeseable. Por lo tanto, la instalación de un economizador requiere circulación de agua permanente a través de éste. Para ello, normalmente la caldera debe contar con un sistema de alimentación continuo de agua (modulante). Aunque existen también algunas otras soluciones técnicamente menos eficientes. Como, por ejemplo, el retorno del agua caliente al tanque en los momentos que la caldera no precisa estar abastecida de agua.

Ensuciamiento de los tubos

Dependiendo del tipo de combustible que se utilice el ensuciamiento de los tubos del economizador podría ser severo y de difícil limpieza. Con combustibles gaseosos no existen mayores inconvenientes, con líquidos livianos como el diesel oil tampoco debería serlo, pero con líquidos como el fuel oil pesado, el ensuciamiento será un hecho habitual. Por tal motivo, en el caso de aquellas instalaciones, el economizador debe diseñarse con muy pocas aletas (superficie extendida de los tubos), o directamente con tubos lisos. Priorizando así la facilidad de limpieza al intercambio eficiente de calor. Independientemente de ello, el diseño de los economizadores, en todos los casos, debe contar con puertas de inspección y limpieza y/o instalación fija de sopladores de hollín, si fuese el caso de uso con fuel oil.

Figura: Circuito de agua de una caldera humotubular, incluyendo un economizador

¿Cuál es el límite?

A través del presente artículo hemos mencionado que existen algunos limitantes con respecto a los materiales utilizados para construir los economizadores convencionales. Pero ello no quita que a continuación de éstos no se pueda seguir agregando otro tipo de intercambiadores de calor, construido con materiales resistentes a la corrosión, que nos permitan extendernos con el objetivo de ahorro de energía. Lo que es en otras palabras, ahorro de dinero. Así, podemos ver el siguiente ejemplo, donde un economizador de condensación sirve para calentar el agua de reposición al tanque de agua de calderas.

Las condiciones para economizar dinero y adicionalmente cuidar el medio ambiente, están dadas. Depende de nosotros mismos, el llevarlas adelante. 🤔