Eficiencia energética en los procesos de transferencia de calor

Todos los equipos de enfriamiento y calentamiento (vapor y agua) operan sobre la base de que la energía, en forma de calor, fluye del nivel de más alta temperatura al nivel de temperatura inferior. En cualquier situación de transferencia térmica, el objetivo es maximizar el flujo de calor donde se requiere el calentamiento o enfriamiento y minimizarlo en otras áreas. Es decir, el calor/frío hay que aprovecharlo justamente en el lugar que se necesita y en ninguno otro más. En este artículo vamos a introducir conceptos de transferencia de calor que son de interés para aprovechar las numerosas oportunidades de gestión de la energía que existen en cualquier sistema de transferencia y distribución de calor. Conseguir ahorrar energía en los procesos de transferencia de calor es fácil y barato.

EFICIENCIA EN LA CONVERSIÓN DEL CALOR

La energía en forma de calor, trabajo y electricidad puede convertirse de una forma a otra sólo de las siguientes formas:

• Energía mecánica a energía eléctrica usando un generador: 50-95 % de eficiencia.
• Energía mecánica a energía térmica: Es factible pero no práctico.
• Energía eléctrica a energía térmica mediante un elemento de calefacción: 100 % de eficiencia para un elemento de calefacción.
• Energía eléctrica a energía mecánica usando un motor eléctrico: 50 a 95 % de eficiencia.
• Energía calorífica a energía eléctrica a energía mecánica usando un motor: Eficiencia máxima del 40 %.
• Energía calorífica a energía eléctrica usando termopares. Es factible pero no práctico.

TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DEL VAPOR

El vapor se produce en calderas y se distribuye mediante tuberías y válvulas. Si el sistema de transporte de vapor no se diseña conociendo los principios básicos del transporte de vapor, se cometerán errores que costarán dinero durante toda la vida útil del sistema. Suelen recomendarse unos límites prácticos de velocidad de vapor en las tuberías, normalmente entre 40-60 m/s con un máximo de 75 m/s. Si la tubería es demasiado larga, se produce una innecesaria pérdida de calor como consecuencia de grandes áreas de superficie expuestas que aumentarán los costes de aislamiento. Si la tubería es demasiado corta, habrá un ruido mayor como consecuencia de la excesiva velocidad, así como pérdidas de presión y capacidad.

PURGADOR DE VAPOR

El propósito de instalar purgadores de vapor es obtener un calentamiento rápido del producto y equipo manteniendo las líneas y equipos de vapor libres de condensado, aire y gases no condensables. Un purgador de vapor es una válvula que descarga condensado y aire de una línea de vapor o pieza del equipo sin vapor de descarga. Cuando arrancan los sistemas y equipos, las líneas y equipos están llenos de aire que debe ser evacuado. También debe ventearse en los procesos de operación continuos una pequeña cantidad de aire y gases no condensables, que entran en el sistema con el agua de alimentación de la caldera. Si este material no se retira puede originar que el purgador puede bloquearse en posición abierta, y no se impida que el vapor fluya al sistema de captación de condensado. Las válvulas también están disponibles con sistemas de control que protejan contra el retroceso del condensado.

Pérdidas en los purgadores de vapor: En los sistemas de vapor se estima que sin un buen programa de mantenimiento preventivo incluya un mantenimiento rutinario de los purgadores de vapor, aproximadamente el 25 % de los purgadores pueden tener pérdidas. Si esto se relaciona con la cantidad de vapor derrochado, es obvio que el mantenimiento de los purgadores permite obtener beneficios. Sin embargo, el método de determinar las pérdidas de los purgadores de vapor no es fácil. Consideremos un purgador descargando a la atmósfera, y ya que el vapor no es visible sólo podemos evaluar la posibilidad de pérdida usando alguno de los siguientes métodos:

• Dispositivo de escucha en la línea de descarga del purgador.
• Pirómetro con el que se establece la temperatura de la tubería en la entrada y descarga del purgador. El purgador puede estar perdiendo vapor si la temperatura de la tubería de descarga es casi tan alta como la temperatura de la tubería de entrada.
• Visor instalado en la tubería de descarga para controlar la descarga. Permite controlar visualmente la descarga.

PÉRDIDAS DE VAPOR:

Las pérdidas son una de las causas principales de derroche energético en los sistemas de vapor. Las pérdidas de vapor de tuberías aisladas pueden ser difíciles de localizar. Los signos de pérdidas que podemos detectar mediante inspección visual son el aislamiento empapado o agua rezumando del material aislante y, por supuesto, una columna de vapor visible. En la mayoría de los casos, las pérdidas tienen lugar en válvulas y bridas en un sistema de tuberías, y pueden repararse apretando una conexión soldada, reemplazando una junta, o reajuste de un prensaestopas.

VAPOR FLASH Y GOLPE DE ARIETE

Cuando el condensado a baja presión se libera a una línea de retorno a menor presión, el condensado inmediatamente se vaporiza. A este fenómeno se denomina flashing y el vapor producido es vapor flash. El condensado de temperatura más alta y/o una línea de descarga de temperatura más baja, causa que la proporción de flashing se incremente. Este flashing puede ser severo si el condensado viene del vapor de alta presión. Ya que solamente una parte del condensado pasa en forma de flash a vapor, existen posibilidades de que el flash de vapor pueda forzar al condensado líquido a través de las tuberías de condensado. Este líquido se desplaza por las tuberías y puede provocar golpe de ariete originando daños en tuberías, accesorios, válvulas de regulación y equipos.

SEPARADOR DE VAPOR

En los sistemas de distribución los separadores quitan el condensado del vapor. Usualmente, los separadores están instalados en el lado aguas arriba del equipo donde el vapor seco es obligatorio, o en la tubería de distribución secundaria donde pueden estar presentes porcentajes bastante más grandes de condensado pueden estar presentes. El grado de transferencia de calor en el equipo puede mejorarse eliminando condensado del sistema de distribución de vapor.

CAPACIDAD DE DESCARGA DEL CONDENSADO

La capacidad de descargar el condensado, por un purgador de vapor, que se produce durante las operaciones de arranque y funcionamiento, es una cuestión importante. Cuando el vapor se hace circular por un equipo frío, el grado de condensación producida es mucho mayor que cuando el equipo está funcionando a la temperatura de operación.

El diseño de los purgadores de vapor se basan en la cantidad de condensado producido durante condiciones de operación de estado estacionario, y aplicando un factor de seguridad adecuado para la carga de condensado del arranque. Dependiendo de la aplicación, el factor de seguridad estará entre 2 y 10. Por ejemplo, un purgador con una capacidad de 200 kg/h no es adecuado para un serpentín de capacidad de 200 kg/h a una presión diferencial de 793 kPa. Bajo las condiciones de arranque el condensado formado puede ser más de 200 kg/h o la presión diferencial puede caer. En cualquier caso, el serpentín se inundará con condensado que hará decrecer el ritmo de transferencia de calor.

EFECTO DEL AISLAMIENTO EN LA TRANSFERENCIA DE CALOR

La cantidad de calor requerido para el calentamiento es el calor necesario para elevar la temperatura de un objeto hasta una temperatura deseada, más la pérdida de calor al área circundante. Aplicando aislamiento a la superficie exterior del equipo se reduce el nivel de transferencia de calor a los alrededores

El efecto del movimiento del aire en la superficie exterior de un depósito o equipo es incrementar el grado con el que el calor se pierde en los alrededores. Por ejemplo, en un depósito de almacenamiento, el calor total requerido es la suma del calor necesario para elevar la temperatura del producto almacenado a la temperatura requerida, más la pérdida de calor del depósito y superficies del líquido a la atmósfera. Aplicando aislamiento a la superficie exterior del equipo se reduce el nivel de transferencia de calor a los alrededores. Para encontrar herramientas de cálculo ver "Todo para facilitar el cálculo".

CALENTAMIENTO DEL VAPOR

En las aplicaciones de calentamiento se usa normalmente vapor saturado, ya que las aplicaciones de vapor a baja presión se usan muy poco. Hablaremos pues de vapor saturado, el cual se usa para producir calor mediante calentamiento directo o indirecto, y, en la mayoría de los casos, no se recupera condensado.

Debemos hacer notar algunas situaciones que pueden ocurrir donde no se recupera condensado de equipos calentados indirectamente. En estos ejemplos, por ejemplo el calentamiento de aceites vegetales o glucosa en intercambiadores de calor, un fallo en el intercambiador de calor puede propiciar que el material caliente se mezcle con el condensado. Si este condensado se reutiliza como agua de alimentación de la caldera, el producto mezclado con el condensado puede ensuciar las superficies de transferencia de calor interna de la caldera, y reducir su eficiencia.

El vapor puede calentarse utilizando métodos directos o indirectos. En la mayoría de las aplicaciones directas de calentamiento el material es un recipiente a la presión atmosférica. La temperatura máxima a la cual el líquido puede elevarse es su punto de vaporización. Cualquier adición de vapor al líquido vaporizado no producirá un incremento en la temperatura. El calentamiento de vapor directo es económico y rápido, pero puede ser muy peligroso si no se toman algunas medidas específicas en el diseño.

La eficiencia de los equipos de vapor que utilizan calentamiento indirecto lo hemos estudiado en un artículo específico.

EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LOS EQUIPOS DE ENFRIAMIENTO DE AGUA

Los equipos de agua fría operan bajo las mismas leyes de la termodinámica y transferencia de calor de los equipos de vapor. La energía en forma de vapor fluye del nivel más alto de temperatura al nivel más bajo. El rango de temperaturas bajo el cual puede usarse el agua es limitado. A presión atmosférica, el agua se congela a 0 ºC y se vaporiza a 100 ºC. El agua de los suministros municipales varía entre 4-20 ªC durante el verano. Si es la fuente de agua para enfriar, debe considerarse la variación de temperatura cuando se seleccione el intercambiador de calor, bombeo, tubería y controles.

Aplicaciones de enfriamiento directo e indirecto

El agua fría puede usarse en aplicaciones de enfriamiento directo e indirecto. En aplicaciones de enfriamiento directo, el agua fría entra en contacto con el producto. Usualmente este sistema se reserva para enfriar productos sólidos donde el producto se sumerge en un depósito que contiene agua, o se hace pasar a través de cortinas de agua rociada. En estos casos, la temperatura final del producto no es crítica, ni lo es la cantidad de agua o la temperatura. Otro método de enfriamiento directo es la introducción de agua en productos acuosos.

El método más comúnmente utilizado es el enfriamiento indirecto, con el cual agua de enfriamiento y el producto a enfriar se separan por una membrana. Un criterio importante de diseño es seleccionar equipos que sean capaces de aceptar las variaciones de temperatura previstas en el agua de alimentación. En sistemas en bucle cerrado el agua se reutiliza. Usualmente estos sistemas están equipados con algún dispositivo de rechazo de calor, tal como una fuente de enfriamiento evaporativo, una torre de enfriamiento, o una enfriadora que rechace el calor recogido por el agua, y devuelva la temperatura del agua a la requerida para las operaciones de enfriamiento. También suele incluirse alguna forma de tratamiento químico, para eliminar, o al menos reducir los depósitos originados por las impurezas contenidas en el agua.

OPORTUNIDADES DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LOS PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Las oportunidades de eficiencia energética que encontramos en los equipos descritos en apartados anteriores son las siguientes:

• Sellado de pérdidas, válvulas accesorios, y juntas. La revisión de puntos donde se producen pérdidas es una forma muy eficaz de ahorrar energía a bajo coste.
• Reparación de aislamiento dañado.
• Mantenimiento de los controles de presión y temperatura. El correcto mantenimiento de la instrumentación y los dispositivos de control es un método para asegurar que se cumplen las condiciones apropiadas .
• Mantenimiento de purgadores de vapor. Es especialmente importante en las grandes compañías que consumen mucho vapor. Particularmente problemáticos son los purgadores que se conectan a un colector de condensado común.
• Limpieza de superficies de transferencia de vapor. La limpieza de superficies de transferencia de calor aseguran la máxima transferencia de calor, por lo que es importante eliminar lodos o depósitos acumulados.
• Asegurar que la calidad del vapor es adecuada para la aplicación. Es importante asegurar que el equipo recibe vapor seco a una calidad cercana a 1,0. En vapor saturado, la calidad es 1,0, ya que el vapor de agua se ha convertido en vapor. En muchos ejemplos, la calidad del vapor que deja una caldera u otros dispositivos de generación de vapor es aproximadamente 1,0. Sin embargo, cuando el vapor se desplaza por los sistemas de distribución, comienza la condensación y la calidad se reduce. A menos que se empleen técnicas apropiadas en el sistema de distribución de vapor el sistema eliminará el condensado, este condensado entrará en el equipo. Si esto ocurre, el nivel de transferencia de calor se reducirá, y el equipo puede inundarse con condensado.
• Asegurar que los rangos de temperatura y presión están dentro de las tolerancias especificadas para el equipo. La reducción de la temperatura y la presión no siempre es tan fácil.
• Asegurar que los purgadores de vapor están correctamente dimensionados para quitar todo el condensado. El condensado que queda en las unidades de transferencia de calor ocupa espacio, y reduce el espacio físico disponible para el vapor. Esta condición tiene lugar sobre todo si los purgadores tienen un tamaño más reducido que el recomendable. Para evitar la inundación, el purgador debe dimensionarse de forma que tenga en cuenta la mayor cantidad de condensado que se genera bajo las condiciones de arranque del equipo. A veces, para superar este problema, lo que se hace es incrementar la presión y la temperatura del vapor. Si se hace esto, se requiere energía adicional para producir el vapor a mayor presión y temperatura.
• Asegurar que los serpentines de calentamiento tienen suficiente pendiente desde la entrada de vapor al purgador para prevenir la inundación con condensado. La inundación del equipo de transferencia de calor con condensado reduce la superficie disponible para la transferencia de calor. Esto puede ser causado por un diseño o instalación inapropiados de los serpentines. Los serpentines deben diseñarse e instalarse de forma que haya siempre pendiente hacia abajo desde la conexión de vapor del intercambiador de calor al purgador de vapor.

OTRAS OPORTUNIDADES DE BAJO COSTE

a implementación de oportunidades de bajo coste para gestionar la energía ofrece opciones interesantes. Veamos algunos ejemplos:

• Apagar los equipos que no se requieren. Muchos equipos suministradores de vapor integrados en máquinas no tienen sus acciones coordinadas con las acciones que realizan. Por ejemplo, un equipo de suministro de aire caliente a un túnel de secado puede estar operando sin que el túnel esté funcionando. La detección de este tipo de incidencias puede generar ahorros de energía significativos. La instalación de una válvula de solenoide que apague el suministro de vapor cuando no sea necesario su uso se amortiza en pocos días.
• Proporcionar tapas de tipo bloqueable para los equipos de control tales como termostatos y prevenir de esta forma su uso no autorizado. En muchas ocasiones, los termostatos utilizados para calentar los espacios de trabajo se mantienen a temperaturas superiores a las aceptables. El coste que esto supone es también importante cuando hablamos de espacios grandes.
• Operar los equipos siempre que sea posible en o cerca de su capacidad. Evitar que múltiples unidades funcionen a capacidades reducidas. Los equipos de generación de vapor se usan en muchas ocasiones a capacidades que están muy por debajo de su capacidad de diseño. Operar a las capacidades de diseño hace que los equipos trabajen a su máxima eficiencia. Por ejemplo, cuatro recipientes, cada uno con la mitad de su capacidad de un producto calentándose, pierde casi dos veces la energía térmica con los alrededores de lo que perderían dos recipientes completamente llenos.
• Añadir venteos de aire termostáticos. El aire entra en los equipos de vapor de dos formas. La primera es porque siempre hay algo de aire presente en el agua de alimentación de la caldera. La segunda es cuando un sistema de vapor se está llenando, ya sea inicialmente o después de una parada, siempre hay aire presente en la línea de vapor. Cuando el aire u otro gas no condensable está presente en un espacio de vapor, el vapor no puede mantenerse a la temperatura de vapor. El venteo de aire termostático hace un excelente trabajo al eliminar aire de los sistemas de vapor. Para conseguir un mejor rendimiento del sistema los venteos deben localizarse de forma que el aire fluya fácilmente a ellos.
• Añadir equipos de medición y control que proporcionen datos de operación que asistan en la mejora de la operación del sistema. Sin medir y controlar equipos instalados en sistemas de enfriamiento o calentamiento, es más difícil establecer si los equipos operan dentro de las especificaciones previstas. Por ejemplo, a menos que se instale un termómetro en un recipiente que se usa para calentar o enfriar un líquido, puede que no se detecten errores en la operación de un controlador de temperatura.
• Valorar convenientemente la localización de los dispositivos de control de forma que se asegure la mejor operación. La localización de los dispositivos de control de enfriamiento o calentamiento es importante. Los termostatos que controlan el calentamiento de un departamento pueden estar localizados en las paredes de exterior del edificio. Debido a su localización, están sujetos a condiciones que causan que sientan una temperatura inferior a la real en el área y demandarán más calor que el requerido.

Bibliografía: Heating & cooling equipment (Steam & water). Energy, Mines and Resources Canada. Palabras clave: Steam trap, valve gland, steam coil, jacketed vessel, heat exchanger