Recuperación de Calor de la Purga de Caldera (Solo Control TDS)

El agua de la caldera se purga para controlar la cantidad de sólidos disueltos totales (TDS) en la caldera. Esta agua está presurizada, caliente y sucia, creando grandes volúmenes de vapor destellado y posibles problemas de eliminación. Un sistema de recuperación de calor puede recuperar grandes cantidades de energía durante este proceso esencial.

Recuperación de Calor de la Purga de Caldera (Solo control TDS)

El módulo anterior discutió el agua que debe purgarse de una caldera para mantener un nivel aceptable de TDS. Esta agua tiene una serie de características:

• Es sucia - Esto significa que: -El agua generalmente no es apta para otras aplicaciones. -El agua sucia puede presentar un problema de eliminación.
• Es caliente - Esto significa que: -Una proporción del agua se destellará a vapor a presión atmosférica. -El agua caliente puede presentar un problema de eliminación. Por ejemplo, puede haber una cantidad sustancial que disponer. Un sistema de recuperación de calor puede resolver muchos de estos problemas. Tasa de flujo energético en la purga Usando los datos del cálculo de purga, Ejemplo 3.12.5, la cantidad de energía enviada a purga puede calcularse usando las tablas de vapor. Nota: 1 kJ/s = 1 kW Ejemplo 3.13.1 Para obtener el flujo de energía en kW: Para poner la tasa de flujo energético en contexto, en el noroeste de Europa el sistema promedio de calefacción doméstica tiene una capacidad de aproximadamente 13 kW, por lo que la tasa de flujo energético purgada en el Ejemplo 3.13.1 es suficiente para calentar 19 casas. Para mayor claridad, el cálculo anterior utiliza tablas de vapor donde el agua a 0°C es la referencia. En realidad, el agua de reposición para reemplazar la purga se suministrará a una temperatura mayor que esta, por lo que la energía purgada será ligeramente menor. Por ejemplo, si el agua de reposición estuviera a 10°C, la energía purgada sería 228 kW.

Vapor destellado

El agua de purga liberada de la caldera es agua a la temperatura de saturación apropiada a la presión de la caldera. En el caso de la caldera del Ejemplo 3.13.1 - 10 bar g, esta temperatura es 184°C. Claramente, el agua no puede existir a 184°C bajo condiciones atmosféricas, porque hay un exceso de entalpía o energía en el agua de purga. Asumiendo que el agua de purga se libera a un sistema de vapor destellado operando a 0,5 bar g, las tablas de vapor pueden usarse para cuantificar este exceso de energía: Este exceso de energía evapora una proporción del agua a vapor, y el vapor se denomina vapor destellado. La cantidad de vapor destellado se determina fácilmente por cálculo o puede leerse de tablas o gráficos. Ejemplo 3.13.2 La entalpía específica de evaporación a 0,5 bar g (hfg) de las tablas de vapor es 2 226 kJ/kg. Por lo tanto, el 14,1% del agua purgada de la caldera cambiará a vapor cuando su presión baje de 10 a 0,5 bar g a través de la válvula de purga. Hay dos opciones:

1. Ventilar este vapor destellado a la atmósfera a través del vaso de purga con el desperdicio de energía asociado y posiblemente agua de buena calidad del vapor condensado.
2. Utilizar la energía en el vapor destellado, y recuperar agua condensando el vapor destellado. Es útil cuantificar la tasa de flujo energético en el vapor destellado. Esto puede hacerse usando las tablas de vapor. Ejemplo 3.13.3 Compare esto con la tasa de 241 kW de energía purgada de la caldera. Es posible usar este vapor destellado: en este ejemplo representa aproximadamente el 49% de la tasa de flujo energético en la purga, y el 14,1% del agua purgada. Usar valores de las tablas de vapor para los cálculos anteriores asume que el agua de alimentación se suministrará a una temperatura de 0°C. Para mayor precisión, debe usarse el cambio real en la temperatura del agua de alimentación. Recuperar y usar vapor destellado El vapor destellado se vuelve disponible para recuperación en el vaso destellador. En esencia, un vaso destellador proporciona un espacio donde la velocidad es lo suficientemente baja para permitir que el agua caliente y el vapor destellado se separen, y desde allí se canalizan a diferentes partes de la planta. El diseño del vaso destellador es importante no solo desde el punto de vista de separación vapor/agua, sino estructuralmente debe estar diseñado y construido según una norma reconocida de recipientes a presión, como PD 5500. Esto no es solo buena práctica de ingeniería, el inspector de calderas también insistirá en esto si la planta va a ser asegurada. El lugar más obvio para usar el vapor destellado es en el depósito de alimentación de la caldera, que generalmente está cerca. La temperatura del agua en el depósito de alimentación es importante. Si es demasiado baja, se necesitarán químicos para desoxigenar el agua; si es demasiado alta, la bomba de alimentación puede cavitarse. Claramente, si la recuperación de calor puede resultar en una temperatura excesiva del depósito de alimentación, no es práctico descargar vapor destellado en el tanque. Otras soluciones son posibles, como el calentamiento del agua de alimentación en el lado de presión de la bomba de alimentación, o el calentamiento del aire de combustión. La Figura 3.13.2 muestra una instalación simple, que hace la recuperación de los 97 kW de flujo energético, y 157 kg/h de agua de calidad de caldera, extremadamente rentable. Equipo requerido

• Vaso destellador - Los fabricantes tendrán tablas de dimensionamiento para vasos. Nota: la velocidad del vapor en la sección superior del vaso no debe exceder 3 m/s.
• Trampa de vapor para drenar el vaso - Una trampa de flotador es ideal para esta aplicación ya que libera el agua de purga residual tan pronto como llega a la trampa. El vaso destellador trabaja a baja presión por lo que virtualmente no hay energía para levantar la purga residual después de la trampa de vapor, por lo que esta debe drenar por gravedad a través de la trampa y la tubería de descarga. Nota: debido a la baja presión, la trampa será bastante grande. Esto tiene la ventaja adicional de que es improbable que se bloquee por los sólidos en el agua de purga residual. A veces se prefieren filtros antes de la trampa de vapor; para esta aplicación la tapa del filtro debe equiparse con una válvula de purga para simplificar el mantenimiento, y la malla del filtro no debe ser demasiado fina.
• Rompedor de vacío - Habrá ocasiones en que la caldera no necesite purgar. En estos momentos cualquier vapor en el vaso destellador y las tuberías asociadas se condensará y se formará un vacío. Si este vacío no se libera, el agua será succionada desde el depósito de alimentación de la caldera hacia las tuberías. Cuando la caldera purgue nuevamente, esta agua será forzada por la tubería a alta velocidad y ocurrirá golpe de ariete. Un rompedor de vacío instalado en la cabeza del desaireador protegerá contra esta eventualidad.
• Equipo de distribución de vapor - La distribución adecuada del vapor destellado en el tanque de agua de alimentación es claramente importante para asegurar la condensación y recuperación del calor y el agua. El equipo necesario para hacer esto incluye, en orden de efectividad: 1. Desaireador atmosférico. 2. Distribuidor de vapor. 3. Tubo de distribución.

Recuperación de calor usando intercambiadores de calor

Recuperación de calor de la purga residual Aproximadamente el 40% de la energía en la purga de la caldera puede recuperarse mediante el uso de un vaso destellador y equipos asociados; sin embargo, hay margen para una mayor recuperación de calor de la propia purga residual. Continuando del Ejemplo 3.13.3, si el vaso destellador opera a una presión de 0,5 bar g, esto significa que la purga residual pasa a través de la trampa de flotador del vaso destellador a aproximadamente 105°C. Más energía útil puede recuperarse de la purga residual antes de pasarla al drenaje. El método aceptado es pasarla a través de un intercambiador de calor, calentando el agua de reposición en ruta al depósito de alimentación. Este enfoque típicamente enfría la purga residual a aproximadamente 20°C. Este sistema no solo recupera la energía en el efluente de purga, sino que también enfría el agua antes de descargarla al sistema de drenaje. (La temperatura a la que el efluente puede descargarse está limitada a 42°C en el Reino Unido; otros países tienen limitaciones similares). Ejemplo 3.13.4 (continuando del Ejemplo 3.13.3) Una disposición típica para recuperar esta energía se muestra en la Figura 3.13.3. Consideración de diseño Un problema con la disposición mostrada en la Figura 3.13.3 es que el flujo simultáneo de agua de reposición fría entrante y purga residual del vaso destellador puede no estar garantizado. Una disposición preferida se muestra en la Figura 3.13.4, donde se usa un tanque de ruptura de agua fría como sumidero de calor. Un termostato se usa para controlar una pequeña bomba de circulación de manera que cuando la purrega residual está a una temperatura lo suficientemente alta, el agua se bombea a través del intercambiador de calor, aumentando la temperatura promedio del tanque y ahorrando energía. Si la temperatura del efluente de purga que sale del intercambiador de calor puede estar por encima de 43°C, entonces debe dirigirse al vaso de purga en lugar de directamente al drenaje de efluentes (Véase el Módulo 3.14). Tipo preferido de intercambiador de calor Los intercambiadores de calor de placas son preferidos para esta aplicación, ya que son muy compactos y fácilmente mantenibles.

La experiencia muestra que las mayores velocidades y turbulencia en los intercambiadores de calor de placas ayudan a mantenerlos limpios, y por lo tanto rara vez se requiere desmontaje. Sin embargo, si se requiere limpieza, es relativamente sencillo abrir el intercambiador de calor y limpiar las placas.

La limpieza de un intercambiador de calor de carcasa y tubos es más compleja, e involucrará un desmontaje completo y a menudo los propios tubos no pueden removerse para limpieza. Cuando se recupera energía del vapor destellado y el condensado, se ha recuperado el 82% de la energía total contenida en la purga original. Además, se ha recuperado el 14% (en masa) del agua, haciendo una contribución adicional a los ahorros.