OPORTUNIDADES DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN CALDERAS

Las calderas son uno de los mayores consumidores de energía en un edificio. Por cada año qué un sistema de calderas pasa desatendido o sin atención. los costos aumentan aproximadamente un 10%. por lo que, tanto la operación como el mantenimiento de una caldera son primordiales cuando se están buscando formas de reducir el consumo de energía y disminuir costos.

Flujo de energía a través de una caldera.

El siguiente diagrama ilustra los principales flujos de energía que ocurren durante la operación de una caldera para producción de vapor.

La energía entra al sistema a través del agua de alimentación, la recuperación de condensado y el combustible. La energía sale del equipo a través de pérdidas de calor por radiación en el cuerpo de la caldera, las purgas de agua, los gases de combustión que salen por la chimenea y el vapor producido. No se muestran porcentajes porque depende mucho del diseño del equipo y las condiciones de operación, sin embargo, a plena carga, si consideramos que un 70% de la energía se convierte en vapor sería bastante representativo.

En esta segunda gráfica vemos la misma representación de energía para una caldera que produce agua caliente en este caso a plena carga algunos tipos de calderas pueden alcanzar eficiencia de conversión muy por arriba del 90%.

En este artículo hablaremos de las medidas que pueden tomarse para reducir pérdidas de energía y aumentar la recuperación de calor en el condensado que aumenta significativamente la eficiencia energética de los equipos.

Eficiencia, el objetivo clave.

Para lograr la mayor eficiencia de una caldera el calor generado por la combustión debe ser eficientemente transferido al fluido del trabajo, normalmente agua. Cualquier cantidad de calor que no sea transferido al fluido será una pérdida, y sea a través de la carcasa o cuerpo de la caldera o por los gases que se están expulsando por la chimenea. La temperatura de los gases de escape en la chimenea de la caldera es un buen indicador que la transferencia de calor es correcta y por lo tanto la eficiencia del equipo.

La eficiencia de combustión de una caldera está definida por el porcentaje del contenido calórico del combustible que es capturado por el agua. Es muy común lograr eficiencias de combustión por arriba del 80% en calderas para calentamiento de agua y para producir vapor de baja presión en aplicaciones comerciales.

La combustión completa se logra cuando un combustible a base de hidrocarburos como el gas natural o el diésel es quemado y se produce solamente dióxido de carbono, agua y calor. Si hay carencia de oxígeno, o una mezcla deficiente entre el combustible y el oxígeno ocurre una combustión incompleta, apareciendo otros productos de la combustión como el monóxido de carbono y combustible sin quemar.

Cuando se presenta una combustión incompleta la energía química del combustible no es completamente aprovechada, por lo que el calor transferido y, por ende, la eficiencia de combustión se ven disminuidas. Esta condición también crea un problema de seguridad, ya que el combustible no quemado en el quemador al acumularse puede causar una explosión en la chimenea si por alguna razón ocurre una chispa de ignición en esa zona. Las calderas deben de ser carburadas para lograr una combustión completa.

Una estrategia muy usada para asegurar la completa combustión es alimentar una cierta cantidad de exceso de aire, sin embargo, si esta cantidad es pequeña efectivamente se aumenta la combustión, pero si excedemos esta alimentación puede verse reducida la eficiencia.

Empíricamente se han establecido límites prácticos sobre qué tan bajo este valor de temperatura debe de ser en la chimenea. Este valor debe de ser mayor que la temperatura que tiene el agua dentro de la caldera. En calderas de NO condensación debe de ser lo suficientemente alto para que el vapor de agua presente en los gases de escape no condense y bañen la superficie de transferencia y el material de la chimenea con condensado corrosivo.

Las calderas de condensación que manejan gas natural son diseñadas y construidas con materiales apropiados para resistir la corrosión, en ellas se deben de temperaturas de descarga del gas de escape de 150°F (65.5°C). Capturar el calor de este condensado puede causar eficiencias de combustión mayores al 90%.

Proveedores de calderas y equipos en México

En la siguiente figura aparece una gráfica de la eficiencia de combustión usando gas natural como combustible en calderas de generación. Nos muestra la relación existente entre el exceso de aire, la temperatura de los gases de escape y la eficiencia de combustión. Por ejemplo, si analizamos la línea marcada como Step 1, estamos introduciendo un 9% de oxígeno en exceso al quemador (equivalente a un 67% de exceso de aire) y la temperatura de los gases de escape es de 500°F (260°C) obtenemos una eficiencia de combustión de 76.5%. Manteniendo los mismos 260°C de temperatura la línea del Step 2 muestra que bajando a 2% el oxígeno excedente (10% de aire en exceso) obtenemos una eficiencia de combustión de aproximadamente 81.5%.

Conforme el contenido de oxígeno en los gases de combustión disminuye, es decir manejamos menos volumen de aire, menos calor es transferido a este excedente y la combustión es más eficiente. Conforme la eficiencia de combustión aumenta, más calor es transferido al agua en vez de hacerlo a los gases de escape y por lo tanto la temperatura de los gases de escape disminuye.

Optimización de la proporción aire/combustible. Cuando carburamos el quemador de una caldera el objetivo es maximizar la eficiencia de combustión alimentando apenas la cantidad suficiente de aire en exceso para asegurar la completa combustión, pero no demasiado para que se reduzca la eficiencia. ¿Qué tanto exceso de aire suficiente para asegurar la combustión completa? La respuesta a esta pregunta la determinan el diseño y las condiciones el quemador y de la caldera, así como intensidad con que está trabajando el quemador pero lo común es operar con un exceso de entre el 2 y el 3% de oxígeno. El aire en exceso también puede ser ajustado para adaptarse a variaciones en temperatura, densidad y humedad en los gases de combustión debido a las variaciones de las condiciones atmosféricas diarias del ambiente y a variaciones estacionales.

Es crítico asegurar la combustión completa para mantener una buena eficiencia de operación. la combustión incompleta del combustible puede reducir la eficiencia de nuestra caldera alrededor del 10%, mientras que aumentando el aire en exceso en 10% se tendrá un impacto de la eficiencia de aproximadamente 1%. Los principales signos de una combustión incompleta son: humo en los gases de escape, flama amarilla, flama intermitente y una caldera llena de tizne.

Empíricamente sabemos que un exceso de aire de alrededor del 10% para calderas de gas natural es óptimo para asegurar la combustión completa y lograr la eficiencia pico. Operar con aire en exceso arriba del 10% es indeseable y resultará en una eficiencia reducida y un aumento de emisiones contaminantes.

Acciones para lograr una aceptable eficiencia energética.

Si un sistema de agua caliente o de generación de vapor no es usado durante una parte del año es posible lograr ahorros significativos apagando completamente el sistema. Mantener una caldera a su temperatura de operación consume energía equivalente a sus pérdidas por disipación de calor si se deja en espera. En el caso de sistemas de agua también debemos de considerar la energía consumida por el sistema de bombeo.

Las cargas calóricas en edificios comerciales y aplicaciones industriales varían mucho del verano al invierno, de día y de noche y por la ocupación los fines de semana. Usando una sola caldera es muy complicado suministrar estas cargas variantes. Cuando las necesidades de calor de un edificio son más bajas que el calor suministrado por la caldera a su nivel mínimo de operación, la caldera debe apagarse, pero apagar y prender en varias ocasiones una caldera es un proceso muy ineficiente, debido a las purgas necesarias en los procesos de pre y post ignición que provocan que una gran calor  se desperdicie en cada ciclo.

Si en un edificio se instalan varias calderas es posible armar secuencias de operación para evitar ciclos frecuentes de encendido/apagado. Puede ser mejor usar varias unidades de calderas escalonadas cuando la caldera primaria haya llegado a operar a capacidad plena, que usar muchos ciclos de encendido/apagado en una sola caldera para cubrir la demanda. Es muy ventajoso operar múltiples calderas simultáneamente, repartiéndose la carga, que una sola caldera al 100%.

Para lograr una máxima eficiencia de operación las calderas deben de ser secuenciadas automáticamente. Cuando las cargas en edificios son reducidas ya sea de noche o fines de semana de todas formas sería necesario aumentar los ciclos de apagado o encendido si no mantenemos una automatización de la operación.

Si un edificio cuenta con múltiples calderas es necesario analizar la energía perdida, si es que, por las condiciones de operación, hay que mantener una o varias de ellas sin alimentación de combustible. Con una caldera en standby no se  tendrán ciclos de encendido y apagado. pero se perderá calor por medio de radiación, lo que significará un porcentaje de pérdidas del sistema. Trabajando a bajo flujo o cuando u una caldera se mantiene en standby se tienen pérdidas de eficiencia de hasta el 15% . El mantener una caldera en standby permitirá una rápida recuperación si la caldera principal falla, pero debe de ser sopesado contra las grandes pérdidas de energía. Si una caldera en standby no es crítica para tu operación, o la necesidad de una caldera depende de las estaciones del año, se debe considerar apagar completamente las calderas innecesarias para prevenir grandes pérdidas de energía.

Incluir el apagado automático de una caldera en una secuencia de operación de un sistema de aire acondicionado es importante poder lograr una correcta eficiencia energética. Con la cada vez más común aplicación de sistemas de volumen de aire variable (VAV) en edificios comerciales, ya sea para calentar o para enfriar, existe un excesivo recalentamiento del aire alimentado que la mayoría de las veces pasa inadvertido. Implementar un cierre de caldera basado en la temperatura exterior, por ejemplo, cuando la temperatura exterior es mayor de 65°F (18.3°C) es un modo muy eficiente de prevenir esta condición.

Se puede ahorrar entre el 3% y el 10% de los costos de operación de una caldera o sistema de calderas siguiendo estas acciones:

Controlar las secuencias de operación y estrategias de combustión. La eficiencia térmica de una caldera de calentamiento disminuye cuando es operada a baja carga debido a que las pérdidas de calor normales son más significativas. Las pérdidas por radiación y convección en el cuerpo de la caldera, pérdidas en la energía de combustión por ráfagas de aire o cuando el quemador no está prendido y las pérdidas de energía por purgas de combustible cuando el quemador arranca y para continuamente son situaciones que se presentan a menudo. Se pueden lograr ahorros energéticos en instalaciones de múltiples calderas regulando el número mínimo de unidades que estarán prendidas en todo momento. Esto puede ser controlado muy confiablemente instalando un control electrónico de secuenciación, este puede regular la operación de la planta en línea con el calor necesitado en todo momento. Normalmente la salida de un controlador de secuencia de calderas es simplemente encender o apagar electrónicamente los equipos mientras que el agua caliente seguirá circulando a través de toda la planta, significando esto que el sistema continuará con las pérdidas de energía estándares.

 

 

 

Fuentes:

 

F. William Payne and Richard E. Thompson, (1996).Efficient Boiler Operations Sourcebook, Fourth Edition, U.S.A. Fairmont Press

Sam G. Dukelow. (1991). The Control of Boilers, 2nd Edition. Triangle Park, NC: ISA.

Goverment of Canada. ( 2015-12-18). BOILERS AND HEATERS . 2021-11-3, de Natural Resources Canada's (NRCan's) Office of Energy Efficiency (OEE), Sitio web: https://www.nrcan.gc.ca/energy/publications/efficiency/industrial/cipec/6687

Capehart, B., Turner, W. and Kennedy, W., (2006). Guide to Energy Management. ASHRAE Handbook, HVAC Systems and Equipment, 2008.

The National Board of Boilers and Pressure Vessel Inspectors, http://www.nationalboard.org/default.aspx.

2010 ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC), http://go.asme.org/bpvc10.

---

---

Share

Comments (1)

Leave A Comment

Your Name:
Comment: