Transfèrencia de calor

Heat Recovery Steam Generator (HRSG): el paper dels economitzadors i intercanviadors de calor | BOIXAC Guia tècnica › Recuperació d’energia › HRSG Heat Recovery Steam Generator (HRSG): el paper dels economitzadors i intercanviadors de calor Els sistemes de generació de vapor per recuperació de calor (HRSG) depenen de la qualitat dels seus components de transferència tèrmica. Aquesta guia analitza el rol dels economitzadors i intercanviadors de calor en l’optimització d’aquests sistemes, els paràmetres de disseny determinants i els criteris de selecció per a aplicacions industrials exigents. BOIXAC Tech SL Guia tècnica industrial Lectura: ~10 min Índex de continguts Fonaments del sistema HRSG Definició i context d’aplicació Arquitectura tèrmica i components principals L’economitzador en un sistema HRSG Funció i posicionament tèrmic Paràmetres de disseny clau Intercanviadors de calor: tipologies i integració Beneficis quantificables de la integració tèrmica Criteris de selecció de components En un context industrial on l’eficiència energètica és un factor determinant de competitivitat i compliment normatiu, la recuperació de la calor residual dels gasos d’escapament representa una de les intervencions amb millor relació cost-benefici. Els sistemes HRSG (Heat Recovery Steam Generators) constitueixen la solució de referència per a aquesta aplicació, i la seva eficiència global depèn en gran mesura de la qualitat i el disseny dels seus components de transferència tèrmica: en particular, dels economitzadors i dels intercanviadors de calor auxiliars. 1. Fonaments del sistema HRSG 1.1 Definició i context d’aplicació Un HRSG és un sistema de recuperació tèrmica que aprofita l’entalpia dels gasos d’escapament calents procedents d’una turbina de gas, un motor de combustió interna o un forn industrial, per generar vapor d’aigua a pressió. Aquest vapor pot destinar-se a la generació d’electricitat en cicles combinats, a processos industrials de calor o a sistemes de climatització centralitzada (district heating). Les aplicacions principals dels HRSG inclouen les centrals de cicle combinat gas-vapor (CCGT), les instal·lacions de cogeneració industrial, les plantes petroquímiques i refineries, i els processos de la indústria papera, cimentera i siderúrgica. 1.2 Arquitectura tèrmica i components principals Un HRSG convencional opera amb els gasos d’escapament fluint en contracorrent o flux creuat respecte al circuit d’aigua-vapor. L’energia es transfereix successivament a través de diverses seccions tèrmiques, cadascuna optimitzada per a un rang de temperatures específic: Gas entrada Gasos d’escapament calents 400–650 °C en sortida de turbina de gas. Fins a 900 °C en forns industrials. Secció 1 Superescalfador Eleva la temperatura del vapor saturat per sobre del punt de saturació, evitant condensació en turbines. Secció 2 Evaporador Converteix l’aigua líquida en vapor saturat a pressió constant. Zona de canvi de fase. Secció 3 Economitzador Preescalfa l’aigua d’alimentació fins a prop del punt de saturació, extraient energia residual dels gasos ja refredats. Gas sortida Gasos refredats 90–180 °C en condicions òptimes. L’economitzador és determinant per minimitzar aquest valor. Nota sobre la temperatura de rosada àcida En aplicacions amb combustibles que contenen sofre, la temperatura dels gasos a la sortida de l’HRSG no pot reduir-se per sota de la temperatura de rosada àcida (típicament 120–150 °C per a gasos amb SO₂), per evitar la condensació d’àcid sulfurós sobre les superfícies de l’economitzador. Aquest paràmetre és un límit de disseny crític que condiciona directament la recuperació energètica màxima assolible. 2. L’economitzador en un sistema HRSG 2.1 Funció i posicionament tèrmic L’economitzador és un intercanviador de calor de tipus gas-líquid posicionat a la zona de temperatures baixes de l’HRSG, on els gasos d’escapament ja han cedit la major part de la seva energia a l’evaporador i al superescalfador. La seva funció és extreure l’entalpia residual d’aquests gasos per preescalfar l’aigua d’alimentació de la caldera. El guany energètic és directament proporcional a la diferència entre la temperatura de l’aigua d’entrada a l’economitzador i la temperatura que assoleix a la sortida. Un economitzador ben dissenyat pot elevar la temperatura de l’aigua d’alimentació des dels 40–80 °C habituals en els desaireadors fins als 180–240 °C, reduint dràsticament l’energia que ha d’aportar l’evaporador per assolir el canvi de fase. Economitzador industrial per a caldera. Bescanviador de calor gas-líquid de tubs i aletes helicoïdals, dissenyat per operar en corrents de gasos de combustió amb temperatures d’entrada de 250–450 °C. 2.2 Paràmetres de disseny clau El disseny d’un economitzador per a un HRSG requereix l’anàlisi simultània de múltiples paràmetres tèrmics, mecànics i de procés. Els principals factors determinants són: Paràmetre Rang típic Impacte en el disseny Temperatura gasos entrada 200–650 °C Determina la selecció de materials i el règim de corrosió potencial Temperatura gasos sortida 90–200 °C Limitat per la temperatura de rosada àcida; condiciona la recuperació màxima Pressió de l’aigua 10–180 bar Defineix el gruix de paret dels tubs i els requeriments PED Temperatura aigua entrada 40–120 °C Risc de condensació en gasos amb humitat; pot requerir recirculació Temperatura pinch point 8–20 °C Diferència entre temperatura de saturació i temperatura dels gasos en la mateixa secció; govern de la superfície d’intercanvi Cabal màssic gasos Procés-específic Determina la pèrdua de càrrega en el costat gas i la potència de l’ID fan Contingut de partícules 0–50 g/Nm³ Condiciona el pas lliure entre aletes i el tipus de neteja (neteja en sec, sopladores) 3. Intercanviadors de calor: tipologies i integració Més enllà de l’economitzador estricte, un sistema HRSG pot incorporar diversos tipus d’intercanviadors de calor en funció de les necessitats tèrmiques del procés associat. La selecció correcta de cada tipologia és determinant per a l’eficiència global del sistema. 🔧 Tubs i aletes helicoïdals Tipologia preferida per a economitzadors en corrents de gasos de combustió amb presència de partícules. L’aleta helicoïdal individual per tub ofereix major robustesa mecànica i resistència a vibracions que l’aleta contínua. El pas entre aletes pot configurar-se per minimitzar l’embrutiment en gasos carregats. 📐 Tubs i aletes continues Alternativa compacta per a gasos nets o filtrats. Major densitat de superfície per unitat de volum que les aletes helicoïdals, però requereix gasos sense partícules per evitar l’obstrucció dels espais interaleta. Habitual en aplicacions amb turbines de gas de cicle combinat. ⚙️ Tubs llisos multitubulars Per a aplicacions on el fluid intern és vapor o aigua a alta … Llegiu més

Tipologies de bescanviadors de calor: classificació per construcció i funcionament | BOIXAC Guia tècnica › Transferència tèrmica Tipologies de bescanviadors de calor: classificació per construcció i funcionament Guia enciclopèdica sobre les principals famílies de bescanviadors de calor: de la distinció entre contacte directe i indirecte fins a la classificació per parells de fluids. Base de referència per a enginyers, projectistes i responsables tècnics. BOIXAC Tech SL Referència tècnica enciclopèdica Lectura: ~12 min Índex de continguts Classificació per construcció Contacte directe Contacte indirecte Bescanviadors de tubs Bescanviadors de plaques Classificació per funcionament Bescanviadors líquid–líquid Bescanviadors líquid–gas Bescanviadors gas–gas Bescanviadors per a sòlids a granel Criteri de selecció i impacte del disseny Existeixen moltes tipologies de bescanviadors de calor i múltiples maneres per classificar-los. En aquest article els classificarem en funció de dos criteris principals: la classificació per construcció —que determina la manera com els fluids interactuen i quin element constructiu fa la transferència— i la classificació per funcionament, que considera els parells de fluids implicats i les seves propietats físiques. 1. Classificació per construcció 1.1 Contacte directe En els bescanviadors de contacte directe, els dos fluids es barregen completament durant la transferència d’energia. Les torres de refrigeració n’són l’exemple més representatiu. Limitació del contacte directe La barreja dels fluids pot comportar la transmissió de contaminants d’un circuit a l’altre. Aquest fet el fa contraindicat en la gran majoria de sistemes de refrigeració de procés, recuperació d’energia, tractament de gasos, líquids alimentaris i sòlids a granel, on la separació de circuits és un requisit tècnic o sanitari. 1.2 Contacte indirecte En els bescanviadors de contacte indirecte, els dos fluids romanen permanentment separats per un element físic —habitualment una placa metàl·lica o la paret d’un tub— que actua com a superfície de transferència tèrmica sense permetre cap mescla. Focalitzant en les dues famílies principals —tubs i plaques— podem establir la comparativa que segueix. Cas especial: recuperadors de calor rotatius Dins dels bescanviadors per contacte indirecte hi ha un cas particular: els recuperadors de calor rotatius, on els dos fluids recorren el mateix espai però de manera alternada. Podria provocar teòricament una lleugera mescla, però en la pràctica industrial es considera pràcticament inapreciable. Característica Bescanviadors de tubs Bescanviadors de plaques Compacitat Menor compacitat per la mateixa potència Alta compacitat: màxima superfície en volum mínim Coeficient de transferència Moderat, dependent del disseny de tubs i aletes Elevat gràcies a la turbulència induïda per les corrugacions Superfície de pas dels fluids Àmplia, menys susceptible a l’embrutiment Reduïda: canals estrets amb risc d’obstrucció Fluids viscosos / amb sediments Molt recomanat. Alta tolerància a partícules i viscositat Contraindicat en fluids bruts, viscosos o enganxosos Manteniment i neteja Senzill. Difícilment s’obstrueixen, cost de manteniment baix Més susceptible a incrustacions, neteja més freqüent Entorns polsegosos / abrasius Excel·lent comportament Poc adequat Aplicació preferent Gas-gas, gas-líquid, líquid-líquid en condicions exigents Líquid-líquid en circuits nets i controlats 1.3 Bescanviadors de calor de tubs Els bescanviadors de tubs estan formats per tubs cilíndrics, plans o ovals. La secció oval o plana augmenta la turbulència exterior i redueix la resistència aerodinàmica en aplicacions amb gas. 1.3.1 Bescanviadors de tubs llisos Quan la superfície d’intercanvi interior i exterior és similar —fluids amb calors específics comparables— s’utilitzen tubs llisos. En aplicacions entre dos corrents de gas s’empren els bescanviadors multitubulars de tubs llisos. En aplicacions amb líquids s’utilitzen bescanviadors tubulars, multitubulars, pirotubulars, coaxials i els de carcassa i tub. Bescanviador tubular multitub. Habitual en aplicacions líquid-líquid amb fluids nets o moderadament viscosos. 1.3.2 Bescanviadors de tubs i aletes Quan els dos fluids presenten valors de calor específic molt diferents —situació habitual quan un fluid és un gas i l’altre és un líquid o vapor— la superfície d’intercanvi s’ha de compensar afegint aletes al costat del fluid amb menor calor específic. Per què calen les aletes? Exemple quantitatiu El calor específic del gas (aire sec) és d’entorn 1,214 kJ/m³·K, mentre que el de l’aigua és de 4,186 kJ/m³·K. L’aigua pot cedir o absorbir gairebé 3,5 vegades més energia per unitat de volum que l’aire. Per compensar aquest desequilibri, s’incrementa la superfície del costat del gas afegint aletes. Gas (aire sec) — 1,214 kJ/m³·K1,214 kJ/m³·KVapor saturat — ~2,010 kJ/m³·K~2,010 kJ/m³·KOli tèrmic — ~2,000 kJ/m³·K~2,000 kJ/m³·KAigua — 4,186 kJ/m³·K4,186 kJ/m³·K Tubs i aletes Aletes continues (transversals als tubs) Xapes continues perforades per on travessen els tubs perpendicularment. Distribueixen la superfície d’aleta de manera uniforme. Habituals en climatització industrial i recuperadors per a gasos d’escapament amb aire relativament net. Tubs i aletes Aletes helicoïdals (enrotllades als tubs) Xapes enrotllades en hèlix al voltant de cada tub. Major robustesa mecànica i resistència a vibracions. S’utilitzen amb gasos de combustió, fums industrials i corrents amb contingut de partícules. Recuperador de calor (economitzador) per a caldera industrial. Aplicació gas-líquid amb tubs i aletes helicoïdals, dissenyat per operar en corrents de fums de combustió. 1.4 Bescanviadors de calor de plaques Els bescanviadors de plaques estan formats per plaques planes o corrugades que actuen simultàniament com a superfície d’intercanvi i com a element estructural del canal de flux. Plaques Bescanviador de plaques pillow Tecnologia emergent de gran polivalència. La superfície en forma de coixí permet treballar amb fluids viscosos, enganxosos i amb sediments, i transferir energia a sòlids granulats com a alternativa als llits fluiditzats: redueix el consum energètic, minimitza el rebuig i millora la qualitat del producte final. Plaques Bescanviador de flux creuat Sistema de plaques en configuració de fluxos perpendiculars. Molt utilitzat en recuperació energètica de la climatització, integrat en centrals de tractament d’aire. Permet alts valors d’eficiència però requereix filtres d’aire avançats per la seva forma compacta. Bescanviador de plaques soldades Les plaques s’uneixen per soldadura formant un conjunt rígid sense juntes. Impedeix la neteja interior, de manera que només s’aplica amb fluids completament nets i sense risc d’incrustacions. Bescanviador de plaques i juntes Les juntes d’estanquitat permeten desmuntar les plaques, netejar-les i substituir-les individualment. Major polivalència que el sistema soldat, però els canals continuen sent estrets i susceptibles d’obstrucció amb fluids viscosos o amb partícules. 2. Classificació per funcionament La … Llegiu més