Eficiencia energética: Calderas de condensación.👷♀️👷♂️✅⚡
Por: I.Q.I. Itzel López.
Aunque el cambio climático debería ser una de las principales razones que impulsen el compromiso con la búsqueda de nuevas tecnologías; la seguridad de los combustibles y el precio de la energía, han orillado a centrarse en la eficiencia energética y en todas las formas posibles de asegurar su aprovechamiento. Lo que siempre se busca en los procesos es optimizar: hacer más con menos o hacer más con lo mismo. En este contexto surgen las calderas de condensación.
Una caldera de condensación recupera el calor latente de condensación del agua presente en los gases de combustión, para que alcance niveles de eficiencia más altos que las calderas tradicionales y a su vez reducir emisiones eliminando las partículas suspendidas.
Cuando un combustible se quema, desde el punto de vista químico tiene lugar la reacción de combustión, lo cual nos da como producto vapor de agua y CO2. Una caldera tradicional, cede el calor sensible de esta reacción al vapor o al agua caliente, pero en un arreglo de condensación se captura el calor latente de condensación, es decir, la energía liberada al condensar el agua en los gases de combustión.
Para la recuperación del calor latente, es más amplio el uso de condensadores, de los cuales se tienen 2 tipos:
Contacto directo. Consiste en una cámara de vapor y una cámara de pulverización en la que las gotas pequeñas de líquido frío entran en contacto con los gases de combustión calientes, teniendo una superficie de transferencia de calor, que no se ensucia. Así, las gotas se enfrían, condensan y se retira el vapor del agua.
La cámara en donde se lleva a cabo el contacto entre el spray y el gas, puede tener una empaquetadura que aumenta la transferencia de calor y la capacidad para recuperar agua.
Contacto indirecto. Se utilizan intercambiadores de calor para pasar los gases de combustión y recuperar el calor latente. Se tienen 3 tipos: de tubo, de lámina y combinados.
Las ventajas que nos ofrece una caldera de condensación, la hacen una opción muy tentativa puesto que a largo plazo se recuperará la inversión hecha en el arreglo. Entre las ventajas más destacadas se tiene:
Alta eficiencia térmica. Esta eficiencia térmica es con respecto al poder calorífico inferior del combustible. Cuando al condensar la humedad presente en los gases, se recupera el calor latente de condensación, se pueden tener eficiencias térmicas de más del 100%.
Reducción de contaminantes de la atmosfera. El condensado formado al obtener el calor latente de vaporización, hace una película constante capaz de arrastrar las partículas grandes y disolver gran parte de la materia orgánica altamente disociada como el ácido sulfúrico y cloruros. En un estudio realizado a las emisiones de 4 unidades de calefacción urbana, alimentadas con astillas de madera, se encontró que todas contaban con un separador ciclónico para la eliminación de partículas gruesas. Una de ellas contaba también, con un lavador de gases que eliminaba el 44% de la PM1 (partículas suspendidas de 1 𝜇𝑚) y el 84% de las partículas sólidas totales, esto como resultado de la “fuerza inducida” por el gradiente de temperaturas ente el gas y la superficie (termoforésis) y a su vez por la condensación del vapor en la superficie, creando ahora un gradiente de concentración que también genera la “fuerza” capaz de mover las partículas en suspensión de un punto a otro (difusioforésis). Otros fenómenos físicos como la sedimentación y los choques aleatorios de partículas pequeñas alrededor de partículas más grandes que otras (difusión browniana), provocaron un reordenamiento de las partículas debido al crecimiento de algunas de ellas.
Aunque las ventajas hacen muy atractivo este arreglo de condensación, es importante mencionar también las barreras técnicas a las que se enfrenta este sistema de condensación.
Corrosión. Muchos de los productos de la combustión son corrosivos y pueden causar grietas en intercambiadores de calor de baja de temperatura, en los cuales, se tienen elevadas tensiones mecánicas. Para evitar que el material se vaya despendiendo en forma de gránulos, es necesario conocer la cantidad y composición del condensado.
Por esto es importante mencionar que una instalación cuidadosa, controles sofisticados y material específico de fabricación resistente a la corrosión, debe de tenerse en cuenta para instalar una caldera de condensación, teniendo en mente que implica una inversión inicial mucho mayor a la de una caldera tradicional.
Entre los materiales recomendados contra corrosión se tienen materiales austeníticos/ferríticos y un alto contenido de Cr, Mo y N, un material muy común es el acero de alto rendimiento, aunque la propiedad más importante es que tenga una alta conductividad térmica para facilitar la transferencia de calor.
Temperatura del agua de retorno. Si hablamos de un sistema de calefacción, la temperatura del agua de retorno es un factor crítico que determina el rendimiento de la caldera, entre mayor sea la temperatura del agua de retorno, menor será el vapor condensado. En un sistema de calefacción urbana, el agua es el perfecto disipador de calor. La humedad de condensación del gas, requiere que se enfríe por debajo de su punto de rocío.
Ahora bien, si el agua de retorno es lo bastante fría como para absorber la energía en forma de calor, es decir, servir directamente como “sumidero”, las bombas de calor pueden acoplarse en el arreglo de una caldera de condensación. Una bomba de calor puede transmitir calor desde una fuente (una corriente que suministre energía en forma de calor, la de mayor temperatura) a un sumidero (una corriente de menor temperatura); se tienen de 2 tipos: bomba de calor de absorción y bomba de calor de compresión.
Como podemos darnos cuenta, es un sistema que requiere de una inversión considerable por los materiales que deben utilizarse en la construcción del diseño que, a pesar de que el diseño puede ser sencillo, la eficiencia térmica lograda y el tratamiento de los gases de combustión son la parte atractiva y altamente valorada de este diseño de condensación.
Referencias bibliográficas:
Hsi-Hsien Yang, S. Md. Arafath, Kuei-Ting Lee, Yueh-Shu Hsieh, Yi-Te Han (2018). Chemical characteristics of filterable and condensable PM2.5 emissions from industrial boilers with five different fuels. Fuel, Volume 232. Pages 415-422. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.05.080.
Qun Chen, Karen Finney, Hanning Li, Xiaohui Zhang, Jue Zhou, Vida Sharifi, Jim Swithenbank. (2012) Condensing boiler applications in the process industry. Applied Energy, Volume 89, Issue 1, pages 30-36. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.11.020.
Marek Pronobis. (2020) Chapter 9 - Conversion of an existing boiler to a condensing boiler. Environmentally Oriented Modernization of Power Boilers. Elsevier, pages 283-290. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819921-3.00009-1.