En una planta industrial, gran parte de la energía que se compra como combustible acaba como calor que nadie aprovecha: gases de chimenea, purgas, condensados y vapor flash. La recuperación de calor residual convierte esas pérdidas en una fuente útil de energía. Es una de las vías más rentables para mejorar la eficiencia energética industrial, reducir el coste del combustible y recortar las emisiones de CO₂.
¿Qué es la recuperación de calor residual?
El calor residual es la energía térmica que un proceso genera pero no utiliza, y que normalmente se evacua al ambiente. La recuperación de calor residual consiste en captarlo y reutilizarlo, ya sea en el mismo proceso o en otro distinto. Es lo que se conoce como integración de calor.
Cada kWh recuperado es un kWh de combustible que no hay que quemar. De ahí se derivan tres beneficios directos:
- Menor consumo de combustible y, con él, menor factura energética.
- Menores emisiones de CO₂, proporcionales al combustible que se deja de consumir.
- Mayor eficiencia global de la instalación, sin modificar la producción.
El concepto es muy conocido en la automoción. Un motor turboalimentado desvía los gases de escape a una turbina que acciona un compresor de aire. Con ello obtiene más potencia con menos combustible. La industria aplica la misma lógica a mayor escala.
Principales tecnologías de recuperación de calor residual
1. Economizador de caldera
Es la solución más sencilla y extendida. El economizador aprovecha el calor de los gases de combustión que salen por la chimenea para precalentar el agua de alimentación de la caldera. Así se reduce la energía necesaria para generar vapor.
Según el Departamento de Energía de EE. UU., instalar un economizador de agua de alimentación puede mejorar el rendimiento térmico de la caldera y reducir el consumo de combustible entre un 5 % y un 10 %.
Consideración de diseño: al enfriar los gases hay que vigilar que su temperatura no baje del punto de rocío ácido, sobre todo con combustibles que contengan azufre. De lo contrario aparecen condensaciones corrosivas en la zona fría.
2. Caldera de recuperación de calor residual (WHB)
Los hornos y las reacciones químicas exotérmicas liberan grandes cantidades de energía. Una caldera de recuperación de calor residual (waste heat boiler, WHB) aprovecha ese calor para generar vapor de baja o media presión. También puede enfriar un fluido de proceso que lo necesite antes de su transporte o almacenamiento, produciendo vapor en el mismo paso.
Ese vapor puede destinarse a calefacción de proceso o a mover turbinas que generan electricidad, comprimen vapores o bombean líquidos.
Buena práctica: el vapor de una WHB puede arrastrar una humedad considerable. Instalar un separador de alta eficiencia con trampa de vapor asegura que el proceso reciba vapor de calidad, protege los equipos y evita el golpe de ariete.
3. Generador de vapor de recuperación de calor (HRSG)
Los sistemas de cogeneración y de ciclo combinado más eficientes usan una turbina de gas para producir electricidad. Los gases de escape salen a temperaturas muy altas y atraviesan un generador de vapor de recuperación de calor (HRSG). Allí producen vapor, que puede ser sobrecalentado, para alimentar una turbina de vapor.
Según el uso de ese vapor, el sistema trabaja de dos formas:
- Ciclo combinado: la turbina de vapor acciona un generador eléctrico adicional.
- Cogeneración (CHP): el vapor se destina a procesos industriales, además de generar electricidad.
Los HRSG pueden tener uno o varios niveles de presión, con uno o varios calderines. También pueden ser de circulación natural sin postcombustión o incorporar postcombustión en conductos. Esta última aporta calor adicional, aumenta la producción y la calidad del vapor, y permite obtener vapor sobrecalentado y más potencia en la turbina.
4. Enfriadora de absorción
El calor residual también sirve para producir frío. Las enfriadoras de absorción utilizan vapor generado a partir de calor residual en lugar de electricidad para alimentar el ciclo de refrigeración. Son una opción habitual en instalaciones de cogeneración que necesitan frío para proceso o climatización.
El ciclo con solución de bromuro de litio se desarrolla así:
- La solución absorbente diluida (aprox. 60 % de bromuro de litio y 40 % de agua) se precalienta con condensado en su camino hacia el generador.
- En el generador, el vapor calienta la solución y evapora parte del agua. La solución queda más concentrada.
- La solución concentrada vuelve al absorbedor para captar más agua, y el vapor producido pasa al condensador.
- En el condensador, el agua de refrigeración licúa el vapor, que desciende hacia el evaporador, a presión próxima al vacío.
- Antes de entrar en el evaporador, el agua condensada atraviesa un orificio o válvula de expansión. Se vaporiza de nuevo en forma de niebla fría, a unos 4,5 °C, y absorbe calor del circuito de agua enfriada. Su temperatura baja unos 5 °C.
- La solución concentrada atrae con fuerza el vapor de agua hacia el absorbedor. Así mantiene el vacío en el evaporador y cierra el ciclo.
Componentes principales:
- Evaporador: donde se produce el enfriamiento. La niebla fría absorbe el calor del circuito de agua enfriada.
- Absorbedor: la solución concentrada capta el vapor del evaporador, mantiene el vacío y se diluye.
- Generador: el calor evapora el agua de la solución diluida y la regenera.
- Condensador: el vapor del generador se condensa cediendo calor al agua de refrigeración.
5. Termocompresión de vapor
No todo el calor residual está en forma de gases calientes. El vapor a baja presión que se descarga a la atmósfera, por ejemplo, conserva una energía considerable. La termocompresión lo recupera mezclándolo con vapor de alta presión en un compresor de vapor. El resultado es vapor a una presión intermedia, directamente utilizable en el proceso.
Con esta técnica se reaprovecha una corriente que de otro modo se perdería. Además, se reduce la cantidad de vapor de alta presión que hay que generar.
Más información: Compresor de vapor TLV
Otras oportunidades de recuperación de calor en sistemas de vapor
Además de las grandes tecnologías anteriores, el propio sistema de vapor ofrece oportunidades de menor inversión y retorno rápido.
Separación y reutilización del vapor flash. Cuando el condensado a alta presión baja de presión, parte se evapora y forma vapor flash. Si se separa en un recipiente adecuado, se convierte en una fuente de vapor de baja presión para precalentamiento o calefacción.
Recuperación del calor de la purga de caldera. La purga continua sale a la temperatura de saturación de la caldera. Un intercambiador de calor de purga permite precalentar el agua de reposición y recuperar buena parte de esa energía.
Calentamiento de agua con vapor de baja presión. El vapor de baja presión de una fuente residual puede producir agua caliente para proceso o servicios. Si el suministro no es continuo, una válvula de aporte complementario mantiene estable la producción. Los calentadores instantáneos de agua a vapor incorporan además una sección de precalentamiento que aprovecha el calor del condensado.
Cómo identificar oportunidades en tu planta
Antes de elegir tecnología conviene analizar el balance térmico de la instalación:
- Inventario de fuentes de calor residual: gases de chimenea, purgas, condensados, vapor flash, agua de refrigeración y fluidos de proceso.
- Caracterización de cada fuente: caudal, temperatura, continuidad, corrosividad o ensuciamiento.
- Identificación de sumideros: precalentamiento de agua de alimentación, calefacción, agua caliente, procesos y producción de frío.
- Ajuste entre fuente y sumidero: el calor recuperado tiene valor si se consume cuando se genera y a un nivel de temperatura útil.
- Evaluación económica: ahorro de combustible, inversión, plazo de retorno y reducción de emisiones.
Una auditoría del sistema de vapor suele revelar oportunidades que no figuran en la lista habitual. Si quieres evaluarlas en tu planta, contacta con tu representante de TLV o con el equipo de Consultoría y Servicios de Ingeniería.
Preguntas frecuentes
¿Qué temperatura mínima hace rentable recuperar calor residual?
Depende de la aplicación. Con calor de baja temperatura, a menudo basta un intercambiador para precalentar agua. Para generar vapor o electricidad se necesitan temperaturas más altas.
¿Cuál es la forma más sencilla de empezar?
El economizador de caldera, la recuperación del vapor flash y el calor de la purga suelen ser las medidas con menor inversión y retorno más rápido.
¿Qué relación tiene con las emisiones de CO₂?
Al recuperar calor se quema menos combustible para la misma producción. La reducción de CO₂ es proporcional al combustible ahorrado.
