¿Existe ahorro económico y ahorro energético en la regulación del vapor?
Todo circuito de vapor está formado por tres puntos claramente definidos, generación de vapor, distribución de vapor y puntos de consumo.
En la mayoría de las plantas industriales la generación y transporte se realiza a alta presión y solo en los puntos de consumo se reduce presión. Sin embargo, en algunas plantas en donde el consumo es pequeño y las presiones de consumo son bajas, se opta por generar y transportar a baja presión, se considera que es innecesario elevar la presión de generación para luego tener que reducir en el punto de consumo. Algunos clientes nos han indicado “no tengo procesos que ameriten elevar la presión de la caldera así que operamos a 60 psi”.
La pregunta entonces es ¿Cuál de las dos formas de operación es la correcta?
Analicemos entonces cada uno de estos tres puntos.
Generación.
Un análisis podría hacernos pensar que si operamos la caldera a baja presión ahorramos energía, pues lógicamente se necesita más energía para generar vapor a alta presión que a baja presión. Sin embargo, el intercambio de energía que se genera en el interior de la caldera es bastante turbulento al operar una caldera a alta presión (por ejemplo 100 o 120 psi), el fluido es estable en su interior producto de que precisamente la alta presión, genera una fuerza sobre la superficie del agua en ebullición permitiendo estabilidad.
Cuando una caldera es operada para generar a baja presión, el fluido en su interior es mucho más inestable, precisamente porque la fuerza que actúa sobre la superficie del agua es menor. Esto contribuye a una mayor generación de espuma, que terminara siendo arrastrada hacia el sistema de distribución. Como hemos mencionado en otros artículos el arrastre incrementa el golpe de ariete y la corrosión en el sistema de distribución.
En conclusión, requeriremos más energía para generar vapor a alta presión, pero, por otro lado, la caldera será más eficiente y se tendrá mejor calidad de vapor. Cada caldera tiene un punto de máxima eficiencia que define el fabricante, en este punto de trabajo, la transferencia de energía será optima, operar por debajo de este punto de presión, hará que la generación sea menos eficiente y la calidad del vapor disminuya.
Por lo tanto, para ahorrar energía en la generación de vapor, será necesario trabajar en el punto de máxima eficiencia definido por el fabricante.
Adicionalmente podemos agregar que en una caldera operando por debajo del punto de máxima eficiencia, los cambios de presión ocasionados por consumo serán muy bruscos. Es decir, si el consumo aumenta por simultaneidad de equipos, la presión de la caldera bajará rápidamente, y por el contrario si el consumo disminuye, la presión en el interior del generador subirá rápidamente.
Transporte
El vapor es un fluido compresible, esto significa que la presión afecta el volumen de ese gas. Por lo tanto, a mayor presión, menor volumen ocupa la misma cantidad de vapor.
El diseño de las redes de vapor o la selección del diámetro de tubería adecuado para transportar el caudal requerido para cada proceso, es un factor que depende del caudal requerido, la velocidad permitida y la presión de operación.
Conociendo esto, se puede concluir que, al operar a baja presión, se requerirán diámetros de tubería para transporte más grandes que operando a alta presión. Por ejemplo, para transportar 225 kg/h a 5 bar se requiere una tubería de 1”, mientras que, para transportar el mismo caudal a 2 bar de presión, se requiere una tubería de 1-1/2”. Esto afecta indudablemente los costos de procura de las tuberías, instalación de las mismas, así como los costos por aislamiento.
Desde el punto de vista energético, al requerir mayor diámetro de tubería se incrementa el área de transferencia con la atmosfera, aumentando las pérdidas de energía en transporte. Adicionalmente al tener baja presión, la transferencia de calor se hará más eficiente aumentando en mayor grado las pérdidas a la atmosfera.
Si el diseño de la red de vapor no respeta las velocidades del fluido, y operando a baja presión empleamos tuberías de bajo diámetro, incurriremos en elevadas velocidades que generaran desgate prematuro, golpes de ariete, caídas de presión y en general desgaste o destrucción, de todos los componentes instalados en el transporte.
Consumo
En el punto de consumo el vapor debería de transmitir su energía o calor latente hacia el producto que estamos manufacturando. En este punto, si es necesario establecer una reducción de presión debido a que la energía latente del vapor, es mayor a baja presión que a alta presión.
Algunos de nuestros clientes erróneamente trabajan con equipos de consumo a alta presión, por la creencia que al tener mayor temperatura transferirá mayor energía y eso es falso, la energía total del vapor es efectivamente más alta a mayor presión, sin embargo, la energía que se transfiere es energía latente, y esta última es mayor a menor presión.
Considerando esto, los fabricantes de equipos de consumo como intercambiadores, marmitas entre otros, diseñan estos equipos con presiones máximas de diseño bajas, y si estas presiones no son respetadas la vida útil de estos equipos se ve reducida considerablemente.
Desde el punto de vista energético, en los equipos consumidores seremos más eficientes si operamos a baja presión de vapor.
Conclusiones
- La generación de vapor debe de realizarse a alta presión y nunca por debajo del punto de máxima eficiencia de la caldera para evitar pérdidas energéticas
- El transporte de vapor debe realizarse a alta presión
- En el punto de consumo es necesario reducir la presión de operación para optimizar la transferencia
- Reducir la presión en el punto de consumo alargara la vida útil de los equipos consumidores
