Heat Recovery Steam Generator (HRSG): el papel de los economizadores e intercambiadores de calor
Los sistemas de generación de vapor por recuperación de calor (HRSG) dependen de la calidad de sus componentes de transferencia térmica. Esta guía analiza el rol de los economizadores e intercambiadores de calor en la optimización de estos sistemas, los parámetros de diseño determinantes y los criterios de selección para aplicaciones industriales exigentes.
En un contexto industrial donde la eficiencia energética es un factor determinante de competitividad y cumplimiento normativo, la recuperación del calor residual de los gases de escape representa una de las intervenciones con mejor relación coste-beneficio. Los sistemas HRSG (Heat Recovery Steam Generators) constituyen la solución de referencia para esta aplicación, y su eficiencia global depende en gran medida de la calidad y el diseño de sus componentes de transferencia térmica: en particular, de los economizadores y de los intercambiadores de calor auxiliares.
1. Fundamentos del sistema HRSG
1.1 Definición y contexto de aplicación
Un HRSG es un sistema de recuperación térmica que aprovecha la entalpía de los gases de escape calientes procedentes de una turbina de gas, un motor de combustión interna o un horno industrial, para generar vapor de agua a presión. Este vapor puede destinarse a la generación de electricidad en ciclos combinados, a procesos industriales de calor o a sistemas de climatización centralizada (district heating).
Las aplicaciones principales de los HRSG incluyen las centrales de ciclo combinado gas-vapor (CCGT), las instalaciones de cogeneración industrial, las plantas petroquímicas y refinerías, y los procesos de la industria papelera, cementera y siderúrgica.
1.2 Arquitectura térmica y componentes principales
Un HRSG convencional opera con los gases de escape fluyendo en contracorriente o flujo cruzado respecto al circuito agua-vapor. La energía se transfiere sucesivamente a través de varias secciones térmicas, cada una optimizada para un rango de temperaturas específico:
400–650 °C en salida de turbina de gas. Hasta 900 °C en hornos industriales.
Eleva la temperatura del vapor saturado por encima del punto de saturación, evitando condensación en turbinas.
Convierte el agua líquida en vapor saturado a presión constante. Zona de cambio de fase.
Precalienta el agua de alimentación hasta cerca del punto de saturación, extrayendo energía residual de los gases ya enfriados.
90–180 °C en condiciones óptimas. El economizador es determinante para minimizar este valor.
En aplicaciones con combustibles que contienen azufre, la temperatura de los gases a la salida del HRSG no puede reducirse por debajo de la temperatura de rocío ácido (típicamente 120–150 °C para gases con SO₂), para evitar la condensación de ácido sulfuroso sobre las superficies del economizador. Este parámetro es un límite de diseño crítico que condiciona directamente la recuperación energética máxima alcanzable.
2. El economizador en un sistema HRSG
2.1 Función y posicionamiento térmico
El economizador es un intercambiador de calor de tipo gas-líquido posicionado en la zona de temperaturas bajas del HRSG, donde los gases de escape ya han cedido la mayor parte de su energía al evaporador y al sobrecalentador. Su función es extraer la entalpía residual de estos gases para precalentar el agua de alimentación de la caldera.
La ganancia energética es directamente proporcional a la diferencia entre la temperatura del agua a la entrada del economizador y la temperatura que alcanza a la salida. Un economizador bien diseñado puede elevar la temperatura del agua de alimentación desde los 40–80 °C habituales en los desaireadores hasta los 180–240 °C, reduciendo drásticamente la energía que debe aportar el evaporador para alcanzar el cambio de fase.
2.2 Parámetros de diseño clave
El diseño de un economizador para un HRSG requiere el análisis simultáneo de múltiples parámetros térmicos, mecánicos y de proceso. Los principales factores determinantes son:
| Parámetro | Rango típico | Impacto en el diseño |
|---|---|---|
| Temperatura gases entrada | 200–650 °C | Determina la selección de materiales y el régimen de corrosión potencial |
| Temperatura gases salida | 90–200 °C | Limitado por la temperatura de rocío ácido; condiciona la recuperación máxima |
| Presión del agua | 10–180 bar | Define el espesor de pared de los tubos y los requerimientos PED |
| Temperatura agua entrada | 40–120 °C | Riesgo de condensación en gases con humedad; puede requerir recirculación |
| Temperatura pinch point | 8–20 °C | Diferencia entre temperatura de saturación y temperatura de los gases en la misma sección |
| Caudal másico gases | Proceso-específico | Determina la pérdida de carga en el lado gas y la potencia del ID fan |
| Contenido de partículas | 0–50 g/Nm³ | Condiciona el paso libre entre aletas y el tipo de limpieza |
3. Intercambiadores de calor: tipologías e integración
Más allá del economizador estricto, un sistema HRSG puede incorporar varios tipos de intercambiadores de calor en función de las necesidades térmicas del proceso asociado.
Tipología preferida para economizadores en corrientes de gases de combustión con presencia de partículas. La aleta helicoidal individual por tubo ofrece mayor robustez mecánica y resistencia a vibraciones. El paso entre aletas puede configurarse para minimizar el ensuciamiento en gases cargados.
Alternativa compacta para gases limpios o filtrados. Mayor densidad de superficie por unidad de volumen que las aletas helicoidales, pero requiere gases sin partículas para evitar la obstrucción de los espacios interaleta. Habitual en aplicaciones con turbinas de gas de ciclo combinado.
Para aplicaciones donde el fluido interno es vapor o agua a alta presión y el fluido externo es un gas con alta carga de partículas o compuestos corrosivos. La ausencia de aletas simplifica la limpieza exterior y reduce el riesgo de obstrucción.
En configuraciones HRSG acopladas a quemadores, el precalentamiento del aire de combustión con energía residual de los gases de escape mejora la eficiencia del quemador y reduce el consumo de combustible. El intercambiador gas-gas es el componente central de esta recuperación.
4. Beneficios cuantificables de la integración térmica
La incorporación de economizadores e intercambiadores de calor correctamente dimensionados en un sistema HRSG produce mejoras medibles en varios indicadores operativos y ambientales.
Un economizador bien dimensionado puede reducir la temperatura de salida de los gases en 80–150 °C, equivalente a una recuperación de 3–8% de la energía total del combustible quemado. En centrales de ciclo combinado, el economizador contribuye directamente a la eficiencia eléctrica global del ciclo.
El incremento de temperatura del agua de alimentación reduce la energía que debe aportar el evaporador. Por cada 6 °C de incremento en la temperatura del agua de alimentación, el consumo de combustible de la caldera se reduce aproximadamente en un 1%, en condiciones típicas de operación.
La menor necesidad de quemar combustible adicional se traduce directamente en una reducción de las emisiones de CO₂ y NOₓ por unidad de energía producida. En sectores sujetos al mercado de derechos de emisión (EU ETS), esta reducción tiene un valor económico directo y cuantificable.
El precalentamiento del agua de alimentación reduce el gradiente térmico a la entrada del evaporador, minimizando los esfuerzos térmicos sobre las superficies del generador de vapor y alargando la vida útil de los componentes. Especialmente relevante en operación con arranques y paradas frecuentes.
Un riesgo específico en el diseño de economizadores para HRSG es el fenómeno de ebullición local (steaming): si la temperatura del agua a la salida del economizador supera el punto de saturación a la presión de trabajo, puede producirse vaporización parcial dentro de los tubos, generando vibraciones, golpes de ariete y posible erosión. El diseño convencional establece un margen de seguridad de 5–15 °C por debajo de la temperatura de saturación a la salida. En caso de condiciones de proceso variables, se prevén sistemas de recirculación o bypass del economizador.
5. Criterios de selección de componentes para HRSG
La selección de economizadores e intercambiadores de calor para integrar en sistemas HRSG requiere un estudio técnico detallado que vaya más allá de las condiciones nominales de operación.
- Composición de los gases de proceso: presencia de SO₂, HCl, partículas en suspensión, compuestos de azufre o nitrógeno que puedan generar corrosión ácida o deposiciones sobre las superficies de intercambio.
- Rango de variación de carga: los HRSG acoplados a turbinas con operación variable requieren intercambiadores diseñados para funcionar eficientemente entre el 40% y el 100% de la carga nominal, sin riesgo de ebullición local ni corrosión por condensación.
- Requerimientos normativos PED: los economizadores que forman parte del circuito de presión de una caldera están sujetos a la Directiva 2014/68/UE (PED) y a los reglamentos técnicos de seguridad industrial aplicables.
- Materiales y resistencia a la corrosión: para gases con contenido de azufre, las superficies en contacto con los gases de menor temperatura se especifican habitualmente en acero inoxidable austenítico o con recubrimientos resistentes a la corrosión ácida.
- Accesibilidad para mantenimiento y limpieza: en gases con contenido de partículas, el diseño debe prever accesos para la limpieza por soplado (soot blowers) o limpieza en seco, sin necesidad de desmontar el intercambiador.
- Integración en el conjunto del HRSG: la conexión hidráulica y aerodinámica del economizador con el resto del sistema debe minimizar las pérdidas de carga adicionales, tanto en el lado gas como en el lado agua.
BOIXAC Tech SL diseña y suministra economizadores e intercambiadores de calor para integrar en sistemas de recuperación de energía, incluyendo aplicaciones HRSG. Cada solución se desarrolla a partir de las condiciones reales de proceso del cliente: composición y temperatura de los gases, presión de trabajo, restricciones dimensionales y requisitos normativos. Nuestro equipo técnico colabora con los ingenieros de proyecto para definir la solución óptima para cada configuración de planta.