Purgas en calderas de vapor

Firma invitada: Artículo enviado por Laureano Figueira, delegado de Viessmann, miembro de la junta directiva de Atecyr Galicia, profesor en el Máster Universitario en Energías Renovables, Cambio Climático y Desarrollo Sostenible de la USC, experto en instalaciones de vapor.

Si hervimos un cazo de agua hasta su total vaporización podremos observar que en el fondo queda un «poso» blanquecino que son las sales o los sólidos disueltos en el agua, llamados técnicamente TDS.

Como ejercicio de comprensión observa las sales que aparecen en la etiqueta de una botella de agua mineral; si tomamos agua de Mondariz de mineralización débil tenemos 178 mg/litro, es decir 178 ppm (partes por millón). En una caldera con una producción de vapor de 10 toneladas por hora, implicaría que en una hora de funcionamiento a máxima potencia en la cámara húmeda de la caldera quedarían 178 mg/litro · 10.000 kg · 1 litro/kg = 1.780.000 miligramos de sales disueltas, es decir 1,78 kg.

Suponiendo que la caldera funciona todo el año con un régimen de carga anual de un 80% supondría 1,78 kg/h · 8.760 horas/año · 0,80 = 12.474 kg al año. Esta cantidad de sólidos disueltos en la caldera deben eliminarse ya que de lo contrario tendremos riesgo de incrustación, corrosión o aparición de precipitados.

Válvulas de purga

Para la renovación del agua y la reducción de la concentración de sólidos disueltos las calderas disponen de dos tipos de conductos de purga, uno en superficie situado normalmente 10 cm por debajo del nivel mínimo de la caldera y otro en el fondo de la caldera.

Durante el funcionamiento de la caldera las sales se concentran en la superficie de la lámina de vaporización por lo tanto la purga de superficie será la adecuada para eliminar las sólidos disueltos; una parte de estas sales precipitan y se van al fondo de la caldera acumulándose como impurezas.

Cada uno de los conductos de purga tendrá una válvula que controlará el momento de la purga. El funcionamiento de cada una de estas válvulas debe ser distinto; la válvula de fondo será de apertura rápida para que el efecto de la descarga del agua de la caldera provoque el arrastre de las impurezas acumuladas. La válvula de fondo puede ser de automática o de pié; debido a la necesidad de apertura rápida las automáticas deben ser neumáticas (nunca de accionamiento eléctrico) y suelen ser accionadas mediante un temporizador que permite la apertura de la misma entre 2 a 5 segundos varias veces al día (no más de una purga de fondo por hora).

La purga de superficie puede también ser manual o automática, en el caso manual suele ser la empresa de análisis químico la que gradúe el grado de apertura continua de la misma (habitualmente una vez al mes).

En la opción de purga automática, una sonda de conductividad situada a la altura de la superficie de vaporización la cual controla la válvula de manera continua tratando de mantener la conductividad deseada. Según la norma UNE EN 12.953-10 en calderas pirotubulares el nivel de conductividad máximo de ser de 6.000 microsiemens por cm. El fabricante de la caldera de vapor suele recomendar como máximo un nivel inferior de conductividad, de entre 3000 y 4000 uS/cm.

Llegado a este punto explicar que hay una relación directa entre la conductividad del agua de la caldera y la tasa de sólidos disueltos, la conductividad expresada en uS/cm puede convertirse en TDS en ppm (mg/litro) multiplicando por el factor 0,64.

Cálculo del caudal de purga

Para calcular el caudal de purga necesario para mantener la conductividad en una caldera podemos emplear la siguiente fórmula:

Siendo:

A_s: Caudal de purga (kg/h)

S: Salinidad del agua de alimentación (mg/l)

Q:Caudal máximo horario de la caldera

Ks: Salinidad máxima admisible en la superficie del agua ( normalmente sobre 3000 mg/l)

Volviendo a nuestro ejemplo, si consideramos una TDS de 178 mg/l, una producción de vapor de 10.000 kg/h, una salinidad máxima admisible de 3.000 mg/l obtendremos un caudal de purga de:

El caudal de purga obtenido de 631 kg/h supondrá una purga del 6% sobre el caudal total que vehicula cal caldera. En un año de operación, considerando una carga media de la caldera del 80%, la purga así calculada significara que arrojamos al desagüe 631 kg/h · 8.760 h/año · 0,80 = 4.422.048 kg/ año, que en el caso de una caldera que trabaje con vapor saturado a 10 bar(g) estará a 184ºC.

Gracias a los sistemas automáticos de control continuo de salinidad podemos ahorrarnos habitualmente un 50% del caudal de purga respecto a la operación manual, esto implica que estos sistemas tienen periodos de retorno/ amortización muy cortos incluso de meses.

Recalcar que la sal que eliminamos en superficie no precipita al fondo, por lo tanto en sistemas automáticos se disminuye la necesidad de purga de fondo.

Potencial energético de la purga

Para evaluar la pérdida energética que supone la purga debemos considerar que el agua purgada es líquido saturado a 10 bar(g) y 184ºC, con una entalpía de 781 kJ/kg. Al descargar este líquido a la presión atmosférica una parte del líquido se vaporiza, transformándose en vapor «flash» quedando la fracción de purga no vaporizada como líquido saturado a 100ºC (que es la temperatura de saturación a 100ºC). Para estimar el porcentaje de vapor formado al pasar la purga a presión atmosférica podemos emplear la siguiente relación:

Siendo:

X: Porcentaje de revaporizado (en tanto por uno)

h_lap: Entalpía del líquido saturado a la presión de la caldera (kJ/kg)

h_lbp: Entalpía del líquido saturado a la presión atmosférica (kJ/kg)

h_lv: Entalpía de vaporización a la presión atmosférica (kJ/kg)

En nuestro caso tendremos:

Tendremos un 16% de caudal revaporizado con un potencial de recuperación de energía de 2.257 kJ/kg (si lo condensamos). El 84% restante será agua a 100ºC. Existe un gran potencial de recuperación de energía en la purga continua, si la empleamos por ejemplo para aumentar la temperatura del agua de alimentación de la caldera. Piensa que por cada 6ºC de incremento de la temperatura de alimentación, conseguimos reducir el gasto energético en un 1%.

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