Calderes de Vapor: Funcionament, Tipus i Tractament d'Aigua

El Vapor com a Agent Calefactor

El vapor reuneix una sèrie de característiques que fan que sigui un excel·lent agent calefactor i, per tant, un mitjà molt emprat pel transport d'energia tèrmica:

• Fluid fàcilment transportable, no tòxic que s'aconsegueix a partir de l'evaporació de l'aigua.
• Permet un fàcil ajustament de la temperatura d'operació i transporta grans quantitats d'energia tèrmica amb poca massa.

Eficiència de les Instal·lacions de Vapor

Per altra banda, l'eficiència de les instal·lacions de vapor va molt lligada a:

• Les condicions d'operació d'aquestes,
• La pressió i temperatura d'operació,
• El funcionament dels accessoris (purgadors, vàlvules, alineacions de línies de servei, filtres d'impureses),
• L'aprofitament de calor residual en el retorn del condensat,
• El tractament de l'aigua d'entrada, de l'aïllament en les canonades, etc.
• I sobretot, de l'eficiència energètica en la caldera com a factor important en l'eficiència global de la instal·lació.

Definicions

Caldera de Vapor

Una caldera de vapor és un dispositiu encarregat de generar la quantitat de vapor d'aigua saturat o sobreescalfat necessària per cobrir la demanda tèrmica d'un determinat procés.

Calor Sensible

És el calor que cal aportar si es vol augmentar la temperatura des de l'estat inicial fins l'ebullició.

Calor Latent

És el calor que es necessita per produir un canvi d'estat en la temperatura d'ebullició (temperatura constant).

Tipus de Calor

Quan dos cossos tenen diferent temperatura, el que té més temperatura cedeix calor al que té menys temperatura. Com es fa aquesta transferència?

Radiació

Transmissió de calor entre dos cossos a diferent temperatura sense estar en contacte entre ells. (Ex: energia solar, radiador calefacció, calor dins caldera.)

Convecció

Es produeix entre dos fluids pel seu desplaçament entre regions amb diferents temperatures. Convecció natural o convecció forçada (amb agent extern com ventilador)

Conducció

Transmissió de calor entre dos sistemes basat en el contacte directe de les seves partícules que tendeixen a igualar la seva temperatura. Relacionada amb conductivitat tèrmica d'un cos. (Metalls: alta conductivitat. Gasos: baixa conductivitat).

Principals Parts d'una Caldera de Vapor

• Llar
• Cremador
• Fums
• Bescanviador de Calor
• Fluid Calorportador
• Xemeneia

Els combustibles líquids i gasosos són més utilitzats que els sòlids perquè es barregen millor amb l'aire. Els gasos de combustió cedeixen calor sensible a l'aigua.

Aspectes Importants a Tenir en Compte

Tractament de l'Aigua

El tractament previ de l'aigua de la caldera per evitar formació d'incrustacions o fenòmens de corrosió que poden provocar situacions d'explosió en les parts que suporten pressió o pèrdua d'eficiència energètica.

Eficiència Energètica

Un cop es coneixen els principis de funcionament d'una caldera de vapor, per tal d'avaluar-ne el funcionament correcte, és a dir:

• Quina quantitat de potència consumida per la caldera es transforma en potència útil absorbida per l'aigua líquida per generar vapor. Paràmetres que cal conèixer: densitat, cabal volumètric o màssic associat al flux de vapor i al flux de condensat, la temperatura i pressió per tal de calcular l'entalpia específica en cada flux.
• Quina potència associada al combustible que utilitza la caldera. Paràmetres: el poder calorífic inferior (PCI), la seva densitat, cabal volumètric o màssic, la temperatura i la pressió del combustible. En el cas de tractar-se de combustibles líquids, la potència de preescalfament del combustible així com la de bombeig d'aquest.

Tipologies de Calderes de Vapor

Calderes Pirotubulars

En aquest tipus de calderes, els fums procedents del cremador circulen per dins dels tubs situats a la cambra interna de la caldera, mentre que l'aigua ho fa per fora dels tubs. Poden ser verticals o horitzontals, encara que la majoria són horitzontals. Bàsicament consisteixen en una cambra de combustió horitzontal que pot variar entre 0,5 i 1,8 m de diàmetre segons la potència de sortida de la caldera. La seva finalitat principal és el subministrament de calor. Poden utilitzar qualsevol tipus de combustible comercial i tenen baix cost comparat amb les aquotubulars en les aplicacions en què són intercanviables. Aquest tipus de calderes estan preparades per treballar després de fer totes les connexions als serveis i necessiten aigua prèviament tractada. A més, el període d'inspecció en aquest tipus de calderes és inferior, cada 16 mesos.

Calderes Aquotubulars

En aquest tipus de calderes, l'aigua circula per l'interior dels tubs, mentre que els fums circulen entre els espais dels tubs. La seva finalitat és subministrar calor i/o potència. Es consideren de manera ideal sense límit de pressió i sense límit de potència tèrmica de sortida. A causa de la gran cambra de combustió de què disposen, poden funcionar amb qualsevol tipus de combustible, ja que el disseny del forn pot adaptar-se al combustible. Tenen un alt cost en comparació amb les pirotubulars en les aplicacions en què són intercanviables. Poden acoblar-se a fàbrica o en el lloc de destí i necessiten aigua tractada però amb més cura que les pirotubulars.

Tipus d'Aigües

Depenent de les característiques fisicoquímiques de les aigües es classifiquen en:

• Aigües Corrosives: són aquelles aigües capaces de dissoldre els metalls que les contenen. Com a conseqüència, la superfície del metall “és atacada” per una acció electroquímica.
• Aigües Agressives: són aquelles aigües capaces de dissoldre precipitats de carbonat calci.
• Aigües Incrustants: són aquelles aigües que tendeixen a dipositar en les superfícies, sediments durs i adherents de carbonat de calci.

Índexs d'Estabilitat de les Aigües

Els índexs d'estabilitat de les aigües determinen la tendència incrustant o agressiva d'una aigua. Això vol dir que ens donen informació de la tendència que té l'aigua en dipositar o dissoldre carbonat de calci en el medi on es trobi o com serà el seu comportament enfront els metalls amb els que entri en contacte. L'objectiu del càlcul d'aquests índexs és poder ajustar les aigües i determinar si l'aigua que circula o s'emmagatzema forma dipòsits de carbonat de calci o els dissol i d'aquesta manera, si actua com un veritable agent corrosiu.

Per Calcular el pH s'han de Determinar els Següents Paràmetres:

• La temperatura de l'aigua.
• La duresa de l'aigua.
• La alcalinitat.
• Els sòlids dissolts totals.

Índex de Langelier (LSI o IL)

El índex de Langelier es calcula de la manera següent: LSI=pH-pHs on pH és el pH que té l'aigua que estem estudiant i el pHs, és el pH de saturació del carbonat de calci. S'ens presenten dos possibles situacions respecte al pH de l'aigua amb lo que la manera de calcular el LSI canvia:

• Si pH < 10,5 → LSI=pH-pHs
• Si pH > 10,5 → LSI=pHs-pH

Segons el valor del LSI podem predir:

• Si LSI < 0: l'aigua no està saturada amb el carbonat de calci i per tant, té tendència a dissoldre'l
• Si LSI = 0: no existeix ni tendència a eliminar les incrustacions ni tendència a formar-les.
• Si LSI > 0: l'aigua està saturada com a carbonat de calci i per tant, amb tendència a formar incrustacions.

Índex de Ryznar (RSI o IR)

Segons estudis reals, Ryznar va modificar l’índex de Langelier de la següent manera: RSI=2pHs-pH

• Si el RSI és menor que 7 l’aigua tindrà tendència incrustant
• Si el RSI és major que 7 l’aigua tindrà tendència agressiva

Tractaments de l'Aigua

En general, els pre-tractaments que se li apliquen a l'aigua industrial es poden dividir en dos grups:

• Tractaments Externs: són els tractaments que es duen a terme en un lloc de la instal·lació diferent a aquell on es va a utilitzar l'aigua. Amb això es pretén evitar el problema que ocasionen les característiques de l'aigua que s'estan tractant.
• Tractaments Interns: són els tractaments utilitzats per modificar les característiques de l'aigua que puguin ocasionar problemes en el mateix moment i lloc on es va a utilitzar l'aigua.