Mejoras Horizontales De Ahorro Y Eficiencia Energética En El Sector

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El sector industrial de Castilla y León es importante consumidor de energía final, el 27,61 %, suponiendo los combustibles de origen fósil procedentes de mercados exteriores, como el petróleo y el gas natural, más del 77% sobre el consumo total en este sector. En el momento actual en que experimentamos una situación económica especial, todas las Administraciones públicas y en particular la de Castilla y León aportan ideas, métodos y posiciones encaminadas a mejorar los resultados económicos de las empresas, ya que con ello se mejora el bienestar general de los ciudadanos. En el caso del sector industrial, el gasto energético tiene un peso relevante en los costes totales de producción de un nuevo producto, que requiere ser estudiado, analizado y ajustado al mínimo posible, sin que se pierda calidad y prestaciones de los productos fabricados. Por ello, la Consejería de Economía y Empleo, a través del Ente Regional de la Energía de Castilla y León (EREN), y en el marco de la Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética en España (E4), pone en sus manos estos manuales técnicos sobre medidas de ahorro y eficiencia energética en equipos e instalaciones térmicas y eléctricas, como un instrumento de consulta a la hora de tomar decisiones que puedan contribuir a la reducción del consumo energético y, para mejorar la eficiencia energética de los procesos productivos y de todos aquellos equipos e instalaciones auxiliares que intervienen en la fabricación de un producto. Adicionalmente, la aplicación de las medidas descritas en este documento contribuirán a la reducción de las emisiones contaminantes, lo que implica la reducción de los efectos adversos del sector industrial sobre el medio ambiente, y nos permitirá converger en los objetivos fijados por el Protocolo de Kioto. Es mi deseo que estos manuales de Mejoras Horizontales de Ahorro y Eficiencia Energética en el Sector Industrial: Energía Térmica y Energía Eléctrica, puedan servir para aumentar la competitividad de las empresas de Castilla y León y despierte la inquietud de sus responsables en la toma de decisiones, para implementar algunas de las propuestas descritas en los mismos, y con ello favorecer la modernización de nuestro tejido industrial. TOMÁS VILLANUEVA RODRÍGUEZ Vicepresidente segundo y Consejero de Economía y Empleo Edita: Junta de Castilla y León Consejería de Economía y Empleo Ente Regional de Energía de Castilla y León Colabora: Exergía XXI Diseño e Impresión: Dep. Legal: Angelma, S.A. Tel. 983 25 12 01 1 CALDERAS INDICE CALDERAS 1.- CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 2.- BALANCE DE ENERGÍA EN UNA CALDERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 2.1.- Balance energético en una caldera de vapor de gas natural . . . . .7 3. RENDIMIENTO DE UNA CALDERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 3.1.- Cálculo de rendimiento en una caldera (método directo) . . . . . .11 3.2.- Cálculo del rendimiento de una caldera (método indirecto) . . . .12 4.- MEJORAS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 CALDERAS 1 Calderas La caldera es un equipo donde se transfiere la energía obtenida en la combustión de un combustible a un fluido de trabajo. 1. CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS Las calderas pueden clasificarse atendiendo a varios criterios: Atendiendo a las necesidades energéticas del proceso: - Calderas de agua caliente - Calderas de agua sobrecalentada - Calderas de vapor saturado - Calderas de vapor sobrecalentado - Calderas de fluido térmico Atendiendo a la posición relativa entre el fluido a calentar y los gases de combustión: - Calderas Pirotubulares: Los humos calientes circulan por el interior de los tubos sumergidos en el fluido. - Calderas Acuotubulares: El fluido circula por el interior de los tubos sumergidos en una masa de humos. 2. BALANCE DE ENERGÍA EN UNA CALDERA En el balance de calor de una caldera se estable la siguiente igualdad: CALOR ENTRANTE = CALOR SALIENTE Para realizar el balance deberemos: - Establecer una temperatura de referencia (normalmente la temperatura ambiente) - Realizar un balance de masa 3 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS - Considerar el PCI del combustible A continuación se describen los calores que toman parte en el balance de una caldera de vapor. Los cálculos se refieren a la unidad de combustible: Calor entrante 1. Calor sensible del combustible (Qc) Qc = cc · tTcc [1] Donde: cc = Calor específico del combustible [kcal/Ud. de combustible] Tc = Temperatura de precalentamiento del combustible [ºC] 2. Calor de combustión (Qco) Qco = PCI [kcal/Ud. de combustible] 3. Calor del aire de combustión (Qa) Qa = Ga · cpa · Δ t [2] Donde: Diferencia dedetemperaturas del aire de entrada a laycaldera y de referencia (ºC) Δ t = Diferencia temperaturas del aire caliente frío [ºC] cpa = Calor específico del aire [kcal/kg aire ºC] Se obtiene en la Tabla 23 Ga = [kg aire/ Ud. de combustible] Se obtiene de las Tablas de 1 a 5 4. Calor del fluido de entrada (Qfe) Q Qfefe==hhfefex Ca b Donde hfe = Entalpía del fluido de entrada [kcal/kg] Ca = caudal del agua de alimentación a caldera (kg/h) b = consumo horario de combustible 4 Calderas Calor saliente 1. Calor del fluido de salida (Qfs) QQfe ==hfsh x Pv fs fs b Donde hfs = Entalpía del fluido de salida (kcal/kg) hPvfs == Producción Entalpía del fluido de salida [kcal/kg] de vapor (kg / h) b= consumo horario de combustible 2. Calor de los humos (QH) Qgc = x [kg. humos/Ud. de combustible] · y [kcal/kg humos] [3] El calor de los gases de combustión se muestra en las Tablas 11 y 12. Con el % de O2 y CO2 se obtiene el caudal de humos (x) expresado en kg de humos/Ud. de combustible. Con la temperatura de los humos, y en las mismas tablas, se encuentra la entalpía específica de los humos (y) en kcal/kg humos. 3. Calor por inquemados gaseosos (Qig) Qig = 21 ⎛ [CO ] [CH ]⎞ + ⎜ ⎟ 21 − [O2 ]⎝ 3.100 1.000 ⎠ [% de pérdidas sobre el PCI del combustible] Donde: [O2] = Concentración de O 2 en los humos (%) [CO] = Concentración de CO en los humos (ppm) [CH] = Concentración de CH en los humos (ppm) 4. Inquemados sólidos (Qis) Se calcula midiendo la opacidad mediante la escala Bacharach 5 [4] 1 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 1. Calor por purgas (Qp) 5. Qp = p·h p [5] [kcal/unidad de combustible] b [5] Donde: p = Caudal de purgas en kg/h . hp = Entalpía de la purga en kcal/kg purga y corresponde a la entalpía de líquido para la presión de generación de vapor. b = Consumo horario de combustible . Para calcular la purga continua necesaria en una caldera hay que realizar un balance de los distintos componentes a controlar. P= P·a=A·b+P·b A·b a −b [kg/h] Donde: P a = = b = A = Caudal de purga [kg/h] Salinidad total en la caldera [ppm]. Se Seobtiene mira en de las tablas que se presentan a continuación. Salinidad total en el agua de aportación [ppm]. Se mide con el conductímetro. Caudal de agua de aportación [kg/h] que es el caudal del vapor menos el caudal de condensados que se recuperan. PRESION ACUOTUBULARES CALDERAS [kg/cm2] SALINIDAD TOTAL EN CO3Ca [mg/l] SILICE EN SiO2 [mg/l] SOLIDOS EN SUSPENSION [mg/l] CLORUROS EN Cl [mg/l] 0-20 3.500 100 300 2.000 20-30 3.000 75 250 1.500 30-40 2.500 50 150 1.000 40-50 2.000 40 100 800 50-60 1.500 30 60 650 60-70 1.250 25 40 500 70-100 1.000 15 20 350 Norma UNE-9075 para calderas acuotubulares 6 Calderas p PRESION 2 [kg/cm ] SALINIDAD SILICE TOTAL EN EN CO3Ca [mg/l] SiO2 [mg/l] SOLIDOS EN SUSPENSION [mg/l] CLORUROS EN Cl [mg/l] CALDERAS 0-15 7.000 100 300 3.000 PIROTUBULARES 15-25 4.500 75 300 2.000 Norma UNE-9075 para calderas pirotubulares 6. Calor por radiación (Qr) El calor perdido por radiación se calcula midiendo la temperatura y la superficie de la caldera, distinguiendo paredes verticales y horizontales hacia arriba y hacia abajo. En la Tabla 30 del Anexo se indican las pérdidas expresadas en W/m2 (si multiplicamos por 0,86 las obtendremos en kcal/h m2). Al multiplicar por cada superficie se obtienen las pérdidas kcal/h. Si b es el consumo horario de combustible, las pérdidas por radiación se obtendrán de la forma siguiente: Qr = Kcal / h b [kcal/unidad de combustible] [6] También puede emplearse la Tabla 31 para calcular las pérdidas por radiación en función de la producción máxima del vapor y el índice de carga. Ejemplo: Balance energético en una caldera de vapor de gas natural Una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.500 h/año produce 20 t/h de vapor a 20 kg/cm2 y consume 13.000.000 Nm3/año. La capacidad máxima de caldera es de 25 t/h. Se realiza una purga continua cuyo caudal es de 1.200 kg/h. El análisis de la combustión revela los siguientes resultados: 2% O2 = 11% CO2 = CO = 500 ppm THUMOS = 230 ºC 7 1 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Se toma como referencia la temperatura ambiente de 20 ºC. · Calor entrante: Se consideran una fuente de calor entrante o calor aportado. - Calor de combustión, Qco Qco = PCI = 9.000 kcal/Nm3 De modo que el calor entrante o aportado es: Qentra = 9.000 kcal/Nm3 · Calor saliente Parte del calor aportado será empleado en la generación del vapor y otra parte se perderá. Se consideran cuatro puntos de pérdida de calor. - Calor de los humos, QH De la Tabla 12 se obtiene: 15,5 kg/Nm3 62 kcal/kg Por lo que, aplicando [3]: QH = 15,5 kg/Nm3 · 62 kcal/kg = 961 kcal/Nm3 - Calor por inquemados Se obtiene de la fórmula [4] y se considera [CO] = [CH] Qig = 21 § >500@ >500@ ·  ¨ ¸ 21  >2@ © 3.100 1.000 ¹ 8 Calderas Qig = 0,73% de 9.000 kcal/Nm 3 = 65,7 kcal/Nm 3 - Calor por purgas, Qp De la Tabla 16 se obtiene la entalpía de la purga correspondiente a 20 kg/cm2 hp = 215,9 kcal/kg Qp = 1.200 kg / h ⋅ 7.500 h / año ⋅ 215,9 kcal / kg = 149,6 kcal/Nm 3 3 13.000.000 Nm / año - Calor por radiación, Qr El índice de carga de la caldera es 20/25 = 0,8. De la Tabla 31 se obtiene que las pérdidas por radiación son del orden de 2,4% del calor aportado, por lo que: Qr = 0,024 · 9.000 = 216 kcal/Nm3 9 1 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS El balance queda de la siguiente forma: 3. RENDIMIENTO DE UNA CALDERA El rendimiento de una caldera puede calcularse por dos métodos: - Método directo K PV H V  h fe b u PCI Donde: PV = Producción de vapor [kg/h] HV = Entalpía del vapor [kcal/kg] hfe = Entalpía del fluido de entrada [kcal/kg] 10 Calderas b = Consumo de combustible [Ud. de combustible/h] PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible [kcal/Ud. de combustible] Se observa que para poder calcular el rendimiento de la caldera por este método será necesario conocer la producción horaria del vapor así como el consumo de combustible. Ejemplo: Cálculo del rendimiento en una caldera (método directo) Tenemos una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.600 h/año, produce 6 t/h de vapor saturado a 7 kg/cm2. El consumo anual de gas natural es de 3.850.000 Nm3. El agua de alimentación está a temperatura ambiente, 20ºC. De la Tabla 16 se obtiene la entalpía del vapor saturado a 7 kg/cm2 o 659,5 kcal/kg K 6 .000 kg / h ˜ 7.600 h / año 659,5  20 kcal / kg ˜ 100 =...................... 84,1% 84,1% 3.850.000 Nm 3 / año ˜ 9.000 kcal / Nm 3 - Método indirecto Si se desconoce la producción de vapor o el consumo de combustible se aplica este método, también conocido como método de las pérdidas separadas. K Como: QUTIL = QAPORTADO - QPERDIDAS 11 QUTIL Q APORTADO 1 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS K Q APORTADO  QPERDIDAS Q APORTADO 1 QPERDIDAS Q APORTADO Siendo: QPERDIDAS = QHUMOS + QINQUEMADOS + QPURGAS + QRADIACION [kcal/Ud. de combustible] QAPORTADO = PCI [kcal/ unidad de combustible] Ejemplo: Cálculo del rendimiento en una caldera (método indirecto) En una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.600 h/año se obtiene vapor a 7 kg/cm2. El análisis de la combustión revela los siguientes datos: O2 = 3% CO2 = 10% CO = 0 ppm THUMOS = 185 ºC Aplicando la fórmula [3] vista en el balance de una caldera y según tabla 12, se puede calcular: Qhumos = 16,3 kg/Nm3 · 48,037 kcal/kg= 783 kcal/Nm3 Se estiman unas pérdidas por purgas y por radiación del 5% por lo que se tendrá: Qpurgas + Qradiación = 0,05 · 9.000 = K § 783  450 · ¨1  ¸ ˜ 100 = 86,3% 9.000 ¹ © 12 450 kcal/Nm3 Calderas 4. MEDIDAS PARA LA MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA A continuación se presentan las medidas de ahorro energético aplicables a las calderas, tanto si son empleadas para la generación de vapor como si se utilizan para el calentamiento de un fluido. Las medidas de ahorro energético que se van a considerar son: 4.1 Ajuste de la combustión 4.2 Economizadores en calderas 4.3 Precalentamiento del aire de combustión 4.4 Recuperación del calor de purgas 4.5 Calorifugado de tuberías y tanques 4.6 Eliminación de fugas de vapor 4.7 Mantenimiento de purgadores 4.8 Expansión del condensado de alta presión 4.9 Recuperación de condensados 4.10 Cogeneración con turbina de vapor a contrapresión 4.11 Convertidores de frecuencia en ventiladores de combustión y bombas de alimentación en calderas 4.12 Sustitución de calderas eléctricas por calderas de gas natural AJUSTE DE LA COMBUSTIÓN Para ver el ahorro por ajuste de combustión habrá que calcular el rendimienη cfci) y después (nη cicf) del ajuste de combustión. to de la caldera antes (n El ahorro será: A= η cf − η ci η cf Si la caldera consume C unidades de combustible al año, el ahorro anual será: AxC Las actuaciones a realizar para mejorar la combustión pueden ser: a) Ajustar la combustión de forma manual 13 1 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS b) Sustituir los quemadores c) Instalar microprocesadores de combustión, controlando: O2 O2 + CO O2 + CO + Opacidad En función del consumo anual de la caldera, que justifique la inversión, se propondrá la medida a), b) ó c). Ejemplo: Ajuste de la combustión de una caldera de gas natural. Una caldera de vapor genera 7,5 t/h de vapor a 8 kg/cm2 y consume 5.000.000 Nm3/año de gas natural se ha obtenido el siguiente resultado tras el análisis de la combustión: O2 = 8% CO2 = 7,4% CO = 0 ppm THUMOS = 200 ºC Con la Tabla 12 se obtiene: 21,7 kg/Nm3 52,4 kcal/kg Analizador de combustión. Cortesía de TESTO 14 Calderas Por lo tanto, el calor perdido por los gases de la combustión es: QH = 21,7 · 52,4 = 1.137 kcal/Nm3 Este calor supone un 12,6% del calor aportado por el combustible (PCI gas natural = 9.000 kcal/Nm3). El resto de pérdidas se estiman en un 5%. Por lo que el rendimiento de la caldera es: η = 1-0,126-0,05 = 0,824 = 82,4% Se realiza un ajuste manual de la combustión y se obtiene el siguiente resultado: O2 = 2,5% CO2 = 10,5% THUMOS = 200 ºC Del mismo modo se calculan las pérdidas por los gases de la combustión y las pérdidas por inquemados: QH = 9,5% Resto = 5,0% Por lo que el rendimiento queda: η = 1-0,095-0,05 = 0,855 = 85,5% El ahorro de combustible será: A= 85,5 − 82,4 ⋅ 100 = 3,63% 85,5 Que supondrá un ahorro de: Ahorro energético = 2.110.465 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 163,35 tep/año Para un precio de gas natural de 2,6 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 54.872 €/año 15 1 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS ECONOMIZADORES EN CALDERAS Con esta medida se pretende aprovechar el calor contenido en los humos de la combustión que salen de la caldera para precalentar el agua de aportación a la misma. El ahorro por la instalación de un economizador se calculará a través de los rendimientos antes y después de la mejora. Normalmente, estos rendimientos se calculan por el método indirecto. K 1 QPERDIDAS PCI Donde: QPERDIDAS = QHUMOS + QINQUEMADOS + QPURGAS + QRADIACION Al instalar un economizador lo único que varía es QHUMOS pues disminuirá la temperatura de salida de los humos. El ahorro será: A K f  Ki Kf Si la caldera consume C unidades de combustible al año, el ahorro anual será: AxC Ejemplo: Instalación de un economizador. Una caldera de vapor de gas natural consume 6.000.000 Nm3/año para generar 9 t/h a 10 kg/cm2. El análisis de la combustión tiene el siguiente resultado: 16 Calderas O2 = 3% THUMOS = 200 ºC Con estos datos y la Tabla 12, se obtiene: 16,3 kg/Nm3 53,5 kcal/kg Por lo tanto, las pérdidas en los gases de la combustión: QH = 16,3 kg/Nm3 · 53,5 kcal/kg = 872 kcal/Nm3 Este calor equivale al 9,69% del calor aportado (PCI gas natural = 9.000 kcal/Nm3). El resto de pérdidas se estiman en un 6% (pérdidas por inquemados, radiación y purga). η = 1-0,0969-0,06 = 0,8431 = 84,31% Se instala un economizador para aprovechar parte del calor que tienen los humos. De esta forma se obtiene que a la salida del economizador la temperatura de los humos es de 180 ºC. Las nuevas pérdidas por humos serán: QH = 16,3 kg/Nm3 · 48,03 kcal/kg= 783 kcal/Nm3 Que equivalen a un 8,7% del calor aportado 17 1 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS η = 1-0,087-0,06 = 0,853 = 85,30% El ahorro de combustible será: A= 85,30 − 84,31 ⋅ 100 = 1,16% 85,30 Que supondrá un ahorro de: Ahorro energético = 809.302 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 62,64 tep/año Para un precio de gas natural de 2,5 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 20.233 €/año PRECALENTAMIENTO DEL AIRE DE COMBUSTIÓN El empleo de esta medida de ahorro energético tiene como fin el aprovechamiento del calor residual de los humos de combustión de la caldera para el precalentamiento del aire que será empleado en dicha combustión. Precalentador de Aire. Cortesía de KALFRISA 18 Calderas El uso de precalentadores de aire en calderas, dado el bajo coeficiente global de transmisión de calor entre dos gases, sólo se recomienda como último recuso y siempre que no se pueda utilizar la entalpía de los gases de salida para precalentar otro tipo de fluido (por ejemplo el agua de aporte de red). El ahorro por la instalación de cualquier equipo de este tipo se calculará a través de los rendimientos antes y después de la mejora. Normalmente, estos rendimientos se calculan por el método indirecto. K 1 QPERDIDAS PCI Donde: QPERDIDAS = QHUMOS + QINQUEMADOS + QPURGAS + QRADIACION Al instalar un recuperador para precalentar el aire lo único que varía es QHUMOS pues disminuirá la temperatura de salida de los humos de la caldera. El ahorro será: A= η f − ηi ηf Si la caldera consume C unidades de combustible al año, el ahorro anual será: AxC Ejemplo: Instalación de un recuperador para el precalentamiento del aire de combustión. Una caldera de vapor de gas natural genera 15,5 t/h vapor a 12 kg/cm2 y consume 10.000.000 Nm3/año. El análisis de la combustión tiene el siguiente resultado: O2 = 4% THUMOS = 210 ºC Con estos datos y la Tabla 12, se obtiene: 17,1 kg/Nm3 56kcal/kg 19 1 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Por lo tanto las pérdidas en los gases de la combustión: QH = 17,1 kg/Nm3 · 56 kcal/kg = 958 kcal/Nm3 Este calor equivale al 10,64% del calor aportado (PCI gas natural = 9.000 kcal/Nm3). El resto de pérdidas se estiman en un 6%. η = 1-0,1064-0,06 = 0,8336 = 83,36% Se instala un recuperador para aprovechar parte del calor que tienen los humos en precalentar el aire de combustión. De esta forma se obtiene que a la salida del recuperador la temperatura de los humos es de 180 ºC. Las nuevas pérdidas por humos serán: QH = 17,1 kg/Nm3 · 47,83 kcal/kg = 818 kcal/Nm3 20 Calderas Que equivalen a un 9% del calor aportado η = 1-0,09-0,06 =0,85 = 85% El ahorro de combustible será: A= 85 − 83,36 ⋅ 100 = 1,93% 85 Que supondrá un ahorro de: Ahorro energético = 2.244.186 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 173,7 tep/año Para un precio de gas natural de 2,2 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 49.372 €/año RECUPERACIÓN DEL CALOR DE PURGAS La operación de purga consiste en extraer sólidos disueltos y en suspensión de la caldera, ya que al vaporizarse el agua aumenta la concentración de estos sólidos en el agua que queda, lo que provoca problemas importantes. El agua evacuada en las purgas de las calderas de vapor está a elevada temperatura y presión. El calor contenido en el agua de purgas se recupera expansionándola en un tanque y utilizando el líquido y el vapor producidos. El ahorro obtenido gracias a la recuperación de este calor sería: Recuperadores de calor de purgas Cortesía de SPIRAXSARCO A Q>kcal / año@ K u PCI >kcal / ud . comb@ Donde: Q = Calor recuperado del condensado o purga ηn = Rendimiento de la caldera PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible 21 1 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Ejemplo: Recuperación del calor de purgas mediante expansión en un tanque flash. Una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.000 h/año con un rendimiento del 85%, produce 14 t/h de vapor a 12 kg/cm2. Se realiza una purga continua de 450 kg/h. Esta purga se va a expansionar en un tanque para producir vapor a 3 kg/cm2 que será enviado a proceso. El vapor producido será: kg (189,7 − 133,4)kcal h h kg ⋅ 7.000 = 343.226 kg/año kcal año (650,1 − 133,4) kg 450 PV = Por lo tanto, el calor recuperado será: Q = 343.226 kg/año · 650,1 kcal/kg = 223.131.220 kcal/año De esta forma se estima que el ahorro de combustible será: kcal año = 29.167 Nm3/año A= kcal 0,85 ˜ 9.000 Nm 3 223.131.220 Que supondrá un ahorro de: Ahorro energético = 339.151 kWh (PCS)/año Que equivalen a 26,25 tep/año 22 Calderas Para un precio de gas natural de 2,5 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 8.479 €/año CALORIFUGADO DE TUBERÍAS Y TANQUES El ahorro producido por el calorifugado de las tuberías y tanques se realiza calculando la diferencia de pérdidas de calor entre los elementos desnudos y calorifugados. Para calcular el calor perdido en accesorios se emplea el ábaco de Wrede (Tabla 40 del Anexo), teniendo en cuenta que una válvula equivale a 1,8 m de tubería y una brida a 0,3 m de tubería. Instalación de calorifugado de tuberías Los codos, “T”, injertos, reducciones equivalen en función del diámetro de la tubería, a: 1”-1,5” a 1 m de tubería 2”-5” a 1,5 m de tubería 5,5”-10” a 2 m de tubería Las pérdidas de los elementos calorifugados se calculan por el ábaco del suministrador del aislamiento. Para el cálculo de las pérdidas en tanques y depósitos se utilizan las Tablas 38 y 39 del Anexo. El ahorro será: Donde: A kcal h uH h año kcal K u PCI ud . comb ' 23 1 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Δ = Diferencia de pérdidas calorifugado y desnuda H = Horas de funcionamiento al año η = Rendimiento de la caldera PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible Ejemplo: Aislamiento de tuberías y válvulas. En una caldera de vapor de gas natural que funciona 7.200 h/año existen 8 m de tubo de 70 mm de diámetro y 4 válvulas sin aislar. La temperatura del exterior de los tubos es de 120 º C y la temperatura ambiente es de 20 ºC. El rendimiento de la caldera es del 85%. Se calculan las pérdidas de calor en tuberías y válvulas sin aislar a partir del ábaco de Wrede (Tabla 40). Ábaco de Wrede Qtubos = 3 m · 280 kcal/m h = 840 kcal/h Qválvulas = 4 · (1,8 m · 280 kcal/m h) = 2.016 kcal/h QTotal = 2.856 kcal/h Se procede a colocar un aislamiento de 25 mm en las tuberías y en las válvulas de forma que el calor perdido en ellos será el calculado en los ábacos de los 24 Calderas suministradores (Se va a suponer que las pérdidas dadas por el suministrador son de 10 kcal/m h): Qtubos = 3 m · 10 kcal/m h = 30 kcal/h Qválvulas = 4 · (1,8 m · 10 kcal/m h) = 72 kcal/h QTotal = 102 kcal/h El ahorro de combustible será: A= (2.856 − 102 )kcal ⋅ 7.200 h 0,85 ⋅ 9.000 kcal Nm 3 h año = 2.592 Nm 3/año Que supondrá un ahorro de: Ahorro energético = 30.140 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 2,3 tep/año Para un precio de gas natural de 2,5 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 754 €/año ELIMINACIÓN DE FUGAS DE VAPOR Siempre que exista una fuga de vapor se tendrá una pérdida energética. Para poder realizar un ahorro energético en este aspecto habrá que localizar y eliminar las fugas de vapor existentes. El caudal de vapor que sale por un orificio viene dado por la expresión: Q = K ·d 2 · P·(P + 1) Donde: Q = Caudal de fluido que sale por el orificio [kg/h] d = Diámetro del orificio [mm] P = Presión manométrica del vapor [kg/cm2] K = Coeficiente de valor 0,35-0,45 25 1 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS También puede emplearse la Tabla 45 para el cálculo del caudal de vapor perdido a través de las fugas. El ahorro de energía por eliminar las fugas de vapor será: A= Q× H [ud. combustible/año] X Donde: Q = Caudal de vapor que se pierde [kg/h] H = tiempo que está la fuga de vapor [h/año] X = Producción específica de vapor [kg vapor/ud combustible] Ejemplo: Eliminación de fugas de vapor. En una caldera de vapor de gas natural se tienen unas fugas localizadas de vapor. En total se han encontrado 10 fugas, 4 de 3 mm de diámetro y 6 de 5 mm de diámetro. La instalación funciona 5.000 h/año con una producción específica de vapor de 12 kg/Nm3 a 8 kg/cm2 de presión. De acuerdo con la Tabla 45 el caudal de vapor perdido será: 26 Calderas Orificios de 3 mm: 27 kg/h Orificios de 5 mm: 75 kg/h El caudal total de vapor perdido: Q = 4 · 27 + 6 · 75 = 558 kg/h El ahorro de combustible por eliminar las fugas de vapor será: 558 A= kg h ˜ 5.000 3 h año = 232.500 Nm 232.500 /año Nm3/año kg 12 Nm 3 Que supondrá un ahorro de: Ahorro energético = 2.703.488 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 209 tep/año Para un precio de gas natural de 2,1 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 56.773 €/año MANTENIMIENTO DE PURGADORES Un purgador de vapor es una válvula automática instalada en una conducción de vapor para eliminar los condensados y el aire. Los purgadores actúan en función de diversos parámetros físicos, pudiendo ser estos parámetros de tipo mecánico como la densidad, termostático en base a diferencia de temperaturas entre el vapor y el condensado y termodinámico en base a cambios de fase. Uno de los parámetros esenciales para el buen funcionamiento de los purgadores y su máxima eficiencia es una correcta instalación. Una vez comprobado esto, hay que establecer, como objetivo prioritario, un mantenimiento adecuado del mismo. Purgador de vapor Cortesía de Spirax Sarco 27 1 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Si Q es el caudal del vapor que se pierde por los purgadores, el ahorro energético por eliminar dicho defecto será: A= Q× H [ud. combustible/año] X Donde: Q = Caudal de vapor que se pierde [kg/h] H = tiempo que está la fuga de vapor [h/año] X = Producción específica de vapor [kg vapor/ud combustible] Ejemplo: Mantenimiento de los purgadores Por los purgadores de una caldera de vapor de gas natural se ha estimado que se pierden 40 kg/h de vapor. La instalación funciona 7.000 h/año con una producción de vapor de 12 kg/Nm3. El ahorro por eliminar las fugas de vapor será: 40 A= kg kg h h ⋅ 7.000 40 ⋅ 7.000 h A = año h = año = 23.334 Nm 3/año kg kg 12 12 Nm 3 Nm 3 Que supondrá un ahorro de: Ahorro energético = 271.325 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 21 tep/año Para un precio de gas natural de 2,5 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 6.783 €/año EXPANSIÓN DEL CONDENSADO DE ALTA PRESIÓN Esta medida permite emplear el condensado de una utilización de vapor a alta presión para producir más vapor a una presión inferior que podrá ser utilizado en otro punto del proceso productivo. Se trata de expansionar el condensado a alta presión en un tanque para generar vapor y nuevos condensados a una presión inferior. Estos nuevos condensados pueden ser expansionados nuevamente en otro tanque y así sucesivamente. 28 Calderas En los sucesivos expansionados habrá que llegar a un acuerdo entre el ahorro producido por la expansión y el coste de la instalación de nuevos tanques. Para obtener el ahorro energético se realiza un balance de masa y calor en el tanque de expansión. El ahorro producido por el calor recuperado del condensado sería: A= Q[kcal / año ] η × PCI [kcal / Ud . de combustibl e] Donde: Q = Calor recuperado del condensado η = Rendimiento de la caldera PCI = Poder Calorífico Inferior del combustible Ejemplo: Expansión del condensado en un tanque flash. En una instalación que emplea vapor generado en una caldera de gas natural se tiene un caudal de condensados 450 kg/h a 15 kg/cm2. Se quiere expansionar este condensado para producir vapor flash a 4 kg/cm2. La producción de vapor será: kg 200,6  143,7 kcal h kg = 50,23 kg/h 653,4  143,7 kcal kg 450 PV = Por lo tanto, el calor recuperado será: Q = 653,4 kcal/kg × 50,23 kg/h = 32.824 kcal/h Si la caldera funciona durante 7.500 h/año, con un rendimiento medio del 85%, el ahorro de combustible será: kcal h ˜ 7.500 h año = 32.180 Nm3/año kcal 0,85 ˜ 9.000 Nm 3 32.824 A= 29 1 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS que supondrá un ahorro de: Ahorro energético = 374.186 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 29 tep/año Para un precio de gas natural de 2,5 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 9.355 €/año RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS A.Tanque de condensados atmosférico El calor del condensado se recupera en un intercambiador o en un tanque flash, donde se obtiene vapor que se puede emplear en el proceso productivo o en el precalentamiento del agua de aporte a la caldera. El calor del condensado del tanque flash se puede recuperar en un intercambiador de placas. Al introducir el agua en la caldera a una temperatura superior a la del agua de red se obtiene un incremento del rendimiento de la caldera, o lo que es lo mismo, un descenso del consumo de combustible. Como se conoce el rendimiento de la caldera se aplica la fórmula directa para obtener la producción específica de vapor [kg vapor/ud. combustible] Depósito de condensados η=X HV − H C PCI Donde: η = Rendimiento de la caldera X = Producción específica de vapor [kg vapor/ud. combustible] HV = Entalpía del vapor [kcal/kg] HC = Entalpía del agua de aporte a la caldera [kcal/kg] PCI = Poder Calorífico inferior del combustible [kcal/ud. combustible] El ahorro de combustible sería: A= XF − XI XF 30 Calderas Donde: XF = Producción específica de vapor después de la mejora XI = Producción específica del vapor antes de la mejora Si la caldera consume C unidades de combustible al año, el ahorro anual será: AxC B.Recuperación de condensados a presión en instalaciones tipo circuito cerrado Esta instalación aprovecha el condensado a una presión intermedia entre la de utilización y la atmosférica. Para ello, el tanque de alimentación se encuentra presurizado y se utiliza una bomba de alimentación a caldera capaz de trabajar a dicha presión. El ahorro se calcula aplicando el mismo método que A pero HC será la entalpía del condensado correspondiente. C.Recuperación de condensados a presión en instalaciones tipo circuito semi-cerrado Esta instalación aprovecha el condensado a la presión de utilización expansionándolo en un tanque flash, produciendo vapor a baja presión que se utiliza en el proceso y el condensado resultante se introduce a la caldera a dicha presión, utilizando una bomba de alimentación a caldera capaz de trabajar en dichas condiciones. Para el cálculo del ahorro: - Por aumentar la temperatura del condensado, se utiliza el mismo método que A. - Por la producción de vapor flash, se utiliza el mismo método la recuperación del calor de purgas. D. Instalación de una Unidad de Recuperación de Condensados (U.R.C.) Una U.R.C es un conjunto formado por: Circuito en bucle con bomba de recirculación, termocompresor, refrigerador de ajuste, eliminador de aire y elementos de medida, capaz de tomar el condensado de la propia línea de condensados y enviarlo directamente a la caldera. U.R.C. Cortesía de Valsteam Engineering 31 1 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Este conjunto aporta las ventajas siguientes: - Al enviar el condensado directamente a la caldera desaparecen las pérdidas por revaporización, con lo que hay un ahorro importante de combustible. - El hecho de no pasar por el depósito de condensados, tener toda la instalación a presión y de existir una desaireación continua, mejora el coeficiente de transmisión en los aparatos consumidores de vapor, acorta los tiempos de calentamiento y mitiga la presencia de oxígeno en las conducciones, lo que reduce en gran medida las corrosiones de las mismas, evitando la adición de hidracina u otros inhibidores de oxígeno. - Todo el revaporizado es agua nueva a aportar, por lo que su desaparición hace innecesaria dicha aportación, reduciendo el consumo de agua y su coste de tratamiento. - Paralelamente, la menor adición de agua nueva hace descender el ritmo de concentración de sales disueltas en el interior de la caldera, pudiendo espaciar las purgas de la misma con el consiguiente nuevo ahorro de agua y de combustible. - En el caso de recuperación total de condensados, la purga se hace teóricamente innecesaria y bastaría una pequeña purga cada dos días para mantener perfectamente la salinidad adecuada en la caldera. Ejemplo: Precalentamiento agua de aporte a caldera mediante vapor flash del tanque de condensados atmosférico. Una fábrica de fibras textiles dispone de una caldera de gas natural que genera 5 t/h de vapor saturado a 5 kg/cm2 para su proceso productivo. Tras emplear el vapor en el proceso, los condensados se introducen en un depósito atmosférico en el que se evacuan 230 kg/h de vapor flash. Se pretende aprovechar el vapor flash para precalentar el agua de aporte a caldera, de 17º C hasta 41,8º C. El rendimiento de la caldera es del 86%, y la producción específica de vapor es de 12,11 kg/Nm3 de gas natural. Precalentando el agua hasta 41,8º C, la nueva producción de vapor en la caldera se calcula aplicando la siguiente fórmula: K X HV  H C PCI 32 Calderas η = Rendimiento de la caldera X = Producción específica de vapor [kg vapor/ud. combustible] HV = Entalpía del vapor [kcal/kg] HC = Entalpía del agua de aporte a la caldera [kcal/kg] PCI = Poder Calorífico inferior del combustible [ kcal/ud. combustible] Por lo que: 0 ,86 X (656  41,8)kcal / kg 9.000 kcal / Nm El ahorro obtenido será: A o X = 12,6 kg/Nm3 gas natural 3 12 ,6  12 ,11 = 3,9 % 12 ,6 Si el consumo anual de combustible es de 19.203.810 kWh(PCS)/año, el ahorro obtenido es de: Ahorro energético = 798.949 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 62 tep/año Para un precio de gas natural de 2,4 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 19.175 €/año COGENERACIÓN CON TURBINA DE VAPOR A CONTRAPRESIÓN Para instalaciones que precisen vapor a diferentes niveles térmicos, se puede pensar en un sistema de cogeneración con turbina de vapor a contrapresión. En una caldera de vapor se genera vapor a alta presión. Parte de este vapor es enviado a proceso y otra parte a una turbina de vapor. De esta turbina se pueden hacer extracciones a las presiones que se requiera que esté el resto del vapor del proceso. Turbina de vapor. Cortesía ELCOGAS 33 1 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Ejemplo: Cogeneración con turbina de vapor a contrapresión. Una instalación que funciona 7.000 h/año requiere 5 t/h de vapor a 15 kg/cm2, 3 t/h a 6 kg/cm2 y 3 t/h a 3 kg/cm2. El vapor proveniente de una caldera de vapor de gas natural a 15 kg/cm2 se lamina para alcanzar las presiones de trabajo requeridas. Se propone instalar una turbina de vapor a contrapresión en la que se realizarán extracciones a las presiones de trabajo requeridas. El rendimiento mecánico de la turbina es del 97,5%. La instalación quedaría del siguiente modo: La potencia aprovechada en la turbina, suponiendo un rendimiento isoentrópico de 0,65, será: 3.000 P= kg 666,8  634,5 kcal  7.000 kg 666,8  628,35 kcal h kg h kg ˜ 0,975 = 415 kW kcal 860 kWh Esta potencia podrá ser empleada en, por ejemplo, generación de energía eléctrica. Si el rendimiento del alternador es del 96% la generación eléctrica será: E.E. = 415 kW ⋅ 7.000 h ⋅ 0,96 = 2.788.800 kWh/año año 34 Calderas CONVERTIDORES DE FRECUENCIA EN VENTILADORES DE COMBUSTIÓN Y BOMBAS DE AGUA DE ALIMENTACIÓN DE CALDERAS Frecuentemente, los ventiladores y bombas de agua de alimentación están muy sobredimensionados, funcionando una gran parte del tiempo en condiciones muy por debajo de las nominales. Por este motivo, el cortatiros y la válvula empleados para la regulación del caudal trabajan en posición muy cerrada durante todo el tiempo. En la regulación de dichas variables, gran parte de la potencia absorbida por los motores de accionamiento se emplea en compensar la pérdida de carga producida en el cortatiros y la válvula. Convertidor de frecuencia. Cortesía de OMRON La sustitución de estos sistemas convencionales por sistemas que realizan la regulación de caudal, en base a la variación de velocidad de los motores eléctricos de accionamiento por medio de conversores de frecuencia, evita esta pérdida de energía. Cuando el régimen de trabajo de una caldera de producción superior a 25 t/h varía frecuentemente, siendo durante mucho tiempo menor del nominal, el consumo de energía de los accionamientos del ventilador y de la bomba se puede reducir hasta un 70% y un 25%, respectivamente, de la energía consumida con los sistemas de regulación convencionales. El pay-back de la inversión de este tipo de instalaciones se puede asegurar que, en la mayoría de los casos, es menor de dos años. Ejemplo: Instalación de un variador de velocidad para el ventilador de una caldera En el ventilador de una caldera de gas natural se han medido los siguientes parámetros: 100% 50% Potencia absorbida [kW] 50 30 Caudal de aire [kg/h] 25.000 11.500 15% 18 3.000 % Carga 35 1 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS La caldera trabaja 7.500 h/año: - 5.000 h/año lo hace a un 50% de carga - 2.500 h/año lo hace a un 15% de carga Como el caudal es de la forma Q = K · N, para la carga al 50% se puede relacionar: Q1 Q2 K ·N1 K ·N 2 N1 N2 25.000 11.500 Ÿ 2,174 Como la potencia es de la forma P = K · N3, para la carga al 50% se puede relacionar: 3 P1 P2 § N13 · ¨ 3¸ ¨N ¸ © 2 ¹ P1 P2 10,275 Ÿ P2 § N1 ¨¨ © N2 · ¸¸ ¹ P1 P2 Ÿ 50 10,275 2,174 3 10,275 4,866 kW Operando de la misma manera para una carga de 15%: En el caudal Q1 Q3 N1 N3 P1 P3 N1 3 En la potencia N3 3 Luego, P3 50 8,33 3 25.000 3.000 8,33 8,33 3 0,0865 kW El ahorro de energía obtenible sería: A. Energético = 170.454 kWh/año Que equivalen a = 44 tep/año Para un precio de la energía eléctrica de 7,3 c€/kWh se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 12.808 €/año 36 Calderas Ejemplo: Instalación de un variador de velocidad para la bomba de alimentación de caldera. En la bomba de alimentación de una caldera se han medido los parámetros siguientes: % Carga 50% 10% Potencia absorbida [kW] 25 20 La caldera trabaja 7.500 h/año: 5.000 h/año lo hace a un 50% de carga 2.500 h/año lo hace a un 10% de carga En base a la curva característica de la bomba de agua de alimentación de la caldera se tiene: Carga de la caldera 50% Caudal de agua Actual Previsto (con variador de velocidad) 15 m3/h H1 = 25 kg/cm2 H2 = 15 kg/cm2 La potencia absorbida en la situación actual y teniendo en cuenta el variador de velocidad, para caudales iguales: P1 = 10·Q·H 1 η1 P2 = 10·Q·H 2 η2 P1 H 1 ·η 2 = P2 H 2 ·η1 η2 = 0,9 , η1 P1 25 = ·0,9 ⇒ P2 15 - P2 = 0,67·P1 Al 50% de carga: P2 = 0,67 · 25 = 16,75 kW - Al 10% de carga: P3 = 0,67 · 20 = 13,4 kW 37 1 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS El ahorro de energía obtenible sería: A. Energético = 57.750 kWh/año Que equivalen a = 14,5 tep/año Para un precio de la energía eléctrica de 7,3 c€/kWh se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 4.216 €/año SUSTITUCIÓN DE UNA CALDERA ELÉCTRICA POR CALDERA DE GAS NATURAL Mediante esta propuesta de mejora se calcula el ahorro obtenido al sustituir las calderas eléctricas de una fábrica por una caldera de gas natural. Caldera de gas natural Ejemplo: Sustitución de calderas eléctricas por calderas de gas natural En una empresa textil se dispone de 23 calderas eléctricas para calentar un fluido térmico (difenilo), que se demanda para el proceso productivo en estado líquido a (250º C y 2 – 3 kg/cm2) y en estado gaseoso (a 220 – 250º C y 0,5 – 0,6 kg/cm2). La potencia total instalada en las calderas es de 847 kW, funcionando con un grado de carga medio del 50%. Mediante el difenilo se obtiene energía térmica a altas temperaturas que se precisa en diferentes puntos de consumo. Se propone sustituir las calderas eléctricas por una caldera de gas natural que genere el fluido térmico a la máxima presión demandada, regulando la temperatura en cada punto de consumo mediante válvulas reductoras de presión y válvulas de tres vías. El consumo de las calderas eléctricas, para un funcionamiento anual de 7.800 h/año, es: 847 kW · 7.800 h/año · 0,5 = 3.303.300 kWh/año = 826 tep/año 38 Calderas El rendimiento de las calderas eléctricas para un grado de carga medio del 50% es del 85%, por lo que la energía térmica generada es de: 3.303.300 kWh/año · 0,85 = 2.807.805 kWh/año El consumo de la caldera de gas natural para producir esta energía térmica demandada, para un rendimiento de la caldera del 75%, es el siguiente: 2.807.805 kWh/año / 0,75 / 0,9 = 4.159.711 kWh (PCS)/año = 322 tep/año El ahorro energético sería, por lo tanto de: Ahorro energético = 826 - 322 = 504 tep/año Ahorro económico para un precio de energía eléctrica de 7,8 c€/kWh y gas natural de 2,3 c€/kWh: A. Económico = 3.303.300 kWh c€ kWh c€ = 161.984 €/año ˜ 7,8  4.159.711 ˜ 2,3 año kWh año kWh 39 1 2 RECUPERACIÓN DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN INDICE RECUPERACIÓN DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN 1.- INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.- ECONOMIZADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 3.- ECONOMIZADORES A CONDENSACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46 4.- CALDERAS DE RECUPERACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 4.1.- Tipos de calderas de recuperación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 4.2.- Criterios a seguir a la hora de seleccionar una caldera de recuperación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49 4.3.- Sobrecalentadotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50 5.- CALENTADORES DE AIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52 6.- SISTEMAS BI-TRANSFER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54 7.- LIMPIEZA DE SUPERFICIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56 RECUPERACIÓN... 2 Recuperación de los gases de combustión 1. INTRODUCCIÓN Una vez que los gases de combustión han cumplido su misión principal, por ejemplo la evaporación del agua en una caldera de vapor, conservan una carga térmica muy importante. Es por eso que ese calor de los humos se aprovecha para otras acciones que consiguen incrementar el rendimiento del equipo en cuestión. Estas acciones son principalmente el precalentamiento del agua de aporte a las calderas, la generación de vapor y el calentamiento del aire de combustión. Al ceder su calor, la temperatura de los humos disminuye. Realizando una aproximación podría estimarse que una reducción en la temperatura de los humos de 20 ºC conlleva un incremento del rendimiento del 1%. Por esta razón, cabe pensar en reducir la temperatura de los humos al máximo. El punto de rocío ácido (en los combustibles que contengan azufre) y el de rocío húmedo marcarán el límite en la disminución de la temperatura de los humos. Para realizar la transferencia de calor desde los humos hasta el fluido se emplean diversos equipos: - Economizadores - Economizadores a condensación - Calderas de recuperación - Calentadores de aire - Sistemas bi-transfer 2. ECONOMIZADORES Son unos equipos intercambiadores de calor gas-líquido cuya misión principal es elevar la temperatura del agua de alimentación a costa de absorber calor de los humos. Existe un límite del descenso de la temperatura de los humos para evitar alcanzar el punto de rocío ácido. 43 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Pueden ser vaporizadores o no vaporizadores en función de que el agua pueda alcanzar o no su temperatura de saturación. Pueden disponerse en serie con la caldera o en by-pass. Economizador en serie Economizador en by-pass 44 Recuperación de los gases de combustión Ejemplo: Precalentamiento del agua de entrada a caldera En un horno a gas natural, los gases de escape tienen las siguientes características: Tª salida gases: 700º C Porcentaje de O2 en gases: 6 % Consumo de gas natural: 150 Nm3/h De acuerdo a estos datos, se obtiene (ver tabla12): Entalpía gases de escape: 194,3 kcal/kg Caudal de humos: 19,1 kg/Nm3 Consumo de combustible Caudal de humos: 19,1 kg/Nm3 · 150 Nm3/h = 2.865 kg/h con recuperador sin recuperador Se instala un economizador donde se introducirán los gases del horno, para calentar el agua de retorno a una caldera. La temperatura a la salida del economizador de los gases es de 175º C. Entalpía gases salida economizador: 46,1 kcal/kg (Tabla 12) Por lo tanto, el calor transmitido al agua de retorno a caldera es: 2.865 kg/h · (194,3 - 46,1) kcal/kg = 424.593 kcal/h Siendo el rendimiento de la caldera es del 85%, el ahorro obtenido será: 424.593 kcal/h / 0,85 = 499.521 kcal/h = 581 kW (PCI) 45 2 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Para un funcionamiento de 4.000 horas al año, se tendrá un ahorro energético: Ahorro energético = 2.582.222 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 200 tep/año Se supone un precio de 2,1 c€/kWh(PCS) para el gas natural por lo que se tendrá un ahorro económico de: Ahorro económico = 54.227 €/año 3. ECONOMIZADORES A CONDENSACIÓN El empleo de combustibles limpios de azufre como el gas natural permite la disminución de la temperatura de los humos por debajo del punto de rocío ácido. En los economizadores a condensación se intenta provocar en el interior del equipo la condensación de una parte del vapor de agua para aumentar el rendimiento. Se recupera así el calor latente de vaporización del agua condensada. Los economizadores a condensación se han concebido con objeto de recuperar la mayor cantidad de energía posible de los gases que, procedentes de la combustión de combustibles "limpios", salen de calderas, hornos o secaderos. Su principio es simple. Básicamente, consiste en condensar parte del vapor de agua que se forma en la combustión. Para ello es preciso que el agua a calentar tenga una temperatura inferior a la de rocío húmedo de los gases producidos en la combustión, de tal forma que las superficies de intercambio de calor entre los gases y esta agua estén a temperaturas que permitan la condensación. Al condensarse el vapor de agua de los gases, cede calor al agua del interior de los tubos, que por tanto, se calienta. Ejemplo: Economizador a condensación Una caldera es alimentada con gas natural. En el economizador de dicha caldera se obtienen los siguientes datos: Temperatura de salida gases: 190º C Porcentaje de O2 en gases: 7 % Pérdidas en economizador (Pérdidas de inquemados, purgas y radiación): 3 % 46 Recuperación de los gases de combustión Temperatura entrada agua: 155º C Temperatura ambiente: 20º C Si se reduce la temperatura de entrada del agua a la caldera hasta 135º C (temperatura segura frente a corrosión), la nueva temperatura de salida de los gases es de 120 ºC. Calculando los rendimientos de la caldera, en las dos situaciones, de acuerdo a la Tabla 9: Pérdidas en gases de combustión situación actual: 10,85 % Pérdidas en gases de combustión nueva situación: 6,8 % El rendimiento de la caldera para las dos situaciones resulta: - Rendimiento situación actual = 100 - 3 - 10,85 = 86,15 % - Rendimiento situación futura = 100 - 3 - 6, 8 = 90, 2 % El ahorro porcentual obtenido será: 90,2 − 86,15 ⋅ 100 = 4,5 % 90,2 Si la caldera consume 2.500.000 Nm3/año de gas natural, el ahorro obtenido es de: Ahorro energético = 1.308.140 kWh(PCS)/año 47 2 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Que equivalen a = 101,25 tep/año Se supone un precio de 2,1 c€/kWh(PCS) para el gas natural por lo que se tendrá un ahorro económico de: Ahorro económico = 27.471 €/año 4. CALDERAS DE RECUPERACIÓN Las calderas de recuperación reciben los gases de escape de una combustión y aprovechan el calor de éstos para generar vapor. Las calderas de recuperación se proyectan para que la mayor parte del calor transferido sea por convección. Por otro lado, teniendo en cuenta que el calor transmitido por convección es tanto mayor cuanto más íntimo sea el contacto de los gases con las paredes del tubo, las calderas de recuperación se diseñan para obtener este contacto. Para ello hay que dar a los gases la suficiente velocidad para establecer el régimen turbulento. Entre las razones por las cuales es interesante la utilización de calderas de recuperación se encuentran: - El proceso de intercambio de calor en calderas de recuperación es uno de los de más alto rendimiento. - Las calderas de recuperación exigen una inversión menor que otros sistemas de recuperación de calor. - El control en las calderas de recuperación se realiza fácilmente en base a la demanda y presión del vapor. Las desventajas más notables de este tipo de equipos son: - Al utilizar agua/vapor como fluido portador de calor se exige una gran calidad del agua de alimentación. - En general, no es posible hacer descender suficientemente la temperatura de los gases; en consecuencia se requiere de un sistema adicional para recuperar ese último calor sensible en gases. 4.1 Tipos de calderas de recuperación Al igual que ocurre con las calderas de vapor convencionales, las calderas de recuperación se pueden clasificar en: 48 Recuperación de los gases de combustión · Calderas pirotubulares. Son calderas similares a las pirotubulares normales, con algunas diferencias en el diseño. · Calderas acuotubulares Responden al mismo diseño de las calderas convencionales, con la diferencia del predominio de la convección sobre la radiación. Las hay de dos tipos, de circulación natural y de circulación forzada. En estas calderas hay mayor transferencia de calor en el lado del agua, pudiendo emplearse tubos de menor diámetro y menor espesor. Son interesantes, por lo tanto, en aquellos lugares donde haya limitaciones en cuanto al peso de la caldera y en cuanto a la disposición geométrica. · Calderas de recuperación especiales Por necesidades propias de la fábrica o por otro tipo de imperativo hay que diseñar una caldera de recuperación que podría encajar dentro de la clasificación de acuotubulares o pirotubular, pero con una serie de diferencias importantes que hace clasificarlas como especiales. Estas calderas corresponderían a diseños especiales y servirían para utilizar gases de proceso de industrias químicas o de otro tipo. 4.2 Criterios a seguir a la hora de seleccionar una caldera de recuperación Para elegir un tipo u otro de caldera de recuperación habrá que seguir una serie de criterios: · Criterios de elección para calderas pirotubulares: - Sirven para aprovechar el calor de gases calientes o de líquidos calientes a elevada temperatura. - Sirven para gases a altas presiones. - Se suelen utilizar en aquellos casos en que es posible enviar la caldera completa y finalizada de fábrica. - Son, en general, más fáciles de limpiar y menos susceptibles de incrustaciones que las acuotubulares. - En general, cuando se puedan utilizar ambos tipos de calderas, la pirotubular es más barata. - Cuando la temperatura de llegada de los gases es elevada (500 a 1.000 ºC), la entrada de los tubos es bastante vulnerable. 49 2 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS - Generalmente se produce una mayor pérdida de carga en los gases que en las acuotubulares. · Criterios de elección para calderas acuotubulares: - Se pueden diseñar para cualquier presión. - Se pueden emplear tubos lisos o tubos con aletas extendidas. - Cuando los gases crean una transferencia baja o cuando sólo es posible una pequeña pérdida de carga, dan más rendimiento que las pirotubulares. - Son más útiles para gases a temperatura elevada y bajas presiones, ya que se pueden montar en obra de acuerdo a las necesidades y disponibilidades en fábrica. - No son recomendables cuando las impurezas de los gases son muy incrustantes por la dificultad del soplado. - Se producen en ellas menos fallos mecánicos que en las pirotubulares. - Es posible construirlas con circulación natural y con circulación forzada. - Ciertos diseños de acuotubulares pueden construirse con sobrecalentador, calentador de aire y economizador. 4.3 Sobrecalentadores Es posible utilizar sobrecalentadores en calderas de recuperación. En las pirotubulares están situados en las cámaras de entrada a la caldera. Para gases a temperatura inferior a 700º C se colocan los sobrecalentadores directamente por encima del flujo de gases; por encima de 700º C conviene que los sobrecalentadores estén preparados para resistir la radiación; es decir, la velocidad del vapor debe ser suficiente para refrigerar los tubos. Con un diseño correcto para resistir la radiación, el sobrecalentador puede llegar a funcionar con temperaturas de gases de hasta 1.100-1.200º C. En las calderas acuotubulares es posible colocar el sobrecalentador en los haces de tubos de convección, de forma que no se produzcan problemas de sobrecalentamiento de los tubos debido a la radiación. Ejemplo: Sustitución de caldera de vapor convencional por una caldera de recuperación En una fábrica hay un horno de gas natural, con las siguientes características: 50 Recuperación de los gases de combustión Consumo de Gas Natural: 562,6 Nm3/h Porcentaje de O2 en humos: 7,5 % Temperatura salida humos: 1.000º C De acuerdo a la tabla 12, el caudal de gases será de: 21 kg/Nm3 · 562,6 es Nm3/h = 11.815 kg/h Los gases de escape se van a diluir con aire hasta una temperatura de 685º C y un porcentaje de oxígeno del 12%, con lo que el nuevo caudal de gases es de 18.379 kg/h. A continuación serán introducidos en una caldera de recuperación de vapor saturado de 12 bar(a), que sustituiría la caldera de combustión actual. La temperatura de salida de los gases de la caldera será de 150º C. Calor transferido por los gases en la caldera ( interpolando en tabla 12 entalpías de gases): 18.379 kg kcal = 2.626.359 kcal/h ⋅ (181,3 − 38,4) h kg Si el rendimiento de la caldera de combustión actual es del 87%, y funciona durante 2.500 horas anuales, el ahorro obtenido es: 51 2 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Ahorro energético = 9.750.657 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 754,27 tep/año Se supone un precio de 2,1 c€/kWh(PCS) para el gas natural por lo que se tendrá un ahorro económico de: Ahorro económico = 204.762 €/año 5. CALENTADORES DE AIRE Los calentadores de aire recuperan parte del calor de los humos para precalentar el aire de combustión por medio de un intercambiador de calor gas-gas. Cuando se utilizan calentadores de aire se producen los siguientes efectos: - Se reducen las pérdidas de calor en los gases de combustión. Aproximadamente por cada 20 ºC de reducción de la temperatura de dichos gases se obtiene un 1% de ahorro de combustible. - Se aumenta la temperatura de la llama en la zona de combustión. - Se reducen los excesos de aire. Ejemplo: Precalentamiento del aire de comburente Disponemos de una caldera de fuelóleo, que produce un caudal de vapor de 12.000 kg/h. Las características de la combustión del fuel oil son: Porcentaje de oxígeno: 6 % Temperatura salida humos: 220º C Pérdidas (inquemados, purgas y radiación): 5 % Temperatura entrada aire (Tª ambiente): 25º C Se pretende instalar un calentador de aire con los gases de salida de la caldera, mediante tubos de vidrio de borosilicato, para obtener una temperatura de salida de gases de 150º C. Nota: Siempre es mejor aprovechar los gases de escape para precalentar un líquido, ya que la transmisión de calor es mejor en el caso de gas - líquido. Al instalar el calentador de aire, sólo varía el calor evacuado en los humos (ver tabla11 combustión del fuelóleo): (57,4 - 6,2) kcal/kg 18,9 kg humos/ kg cble = 965,65 kcal/kg cble (38,0 - 6,2) kcal/kg 18,9 kg humos/ kg cble = 601,02 kcal/kg cble 52 Recuperación de los gases de combustión PCI fuelóleo = 9.500 kcal/kg, por lo que: 9.500 ·100 = 10,20% 965,65 9.500 ·100 = 6,30% 601,02 El rendimiento de la caldera para las dos situaciones resulta: - Rendimiento situación actual = 100 - 5 - 10,2 = 84,8 % - Rendimiento situación futura = 100 - 5 - 6,3 = 88,7 % El ahorro porcentual obtenido es: Ahorro = 88,7 − 84,8 ⋅ 100 = 4,39 % 88,7 La caldera consume 850 kg/h de fuelóleo, y funciona una media de 4.500 h/año, por lo que el ahorro anual sería de: Ahorro energético = 2.606.788 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 159,5 tep/año Se supone un precio de 2,1 c€/kWh(PCS) para el fuelóleo por lo que se tendrá un ahorro económico de: Ahorro económico = 54.742,55 €/año 53 2 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 6. SISTEMAS BI-TRANSFER En los esquemas de intercambio de calor líquido-líquido, líquido-gas y gasgas, éste último es el más desfavorable en cuanto a la transmisión de calor se refiere. Los sistemas bi-transfer se componen de un circuito para un fluido térmico y dos intercambiadores de calor fluido - gas. El sistema bi-transfer es especialmente útil cuando se trata de realizar un intercambio de calor entre dos gases, como es el caso del precalentamiento del aire de combustión por medio de los gases de escape: En el primer intercambiador los gases de la combustión calentarían el fluido térmico y este calor del fluido sería transferido al aire en el segundo intercambiador. Por lo tanto se tienen dos intercambios líquido-gas, mucho más eficientes que el intercambio directo gas-gas. Los fluidos térmicos empleados habitualmente son el agua y aceites térmicos. El agua no se emplea por encima de los 200 ºC, debido a las elevadas presiones que impone. Ejemplo: Sistema bi-transfer Se dispone de una caldera de vapor con economizador, alimentada con gas natural, con las características siguientes: Caudal de gases de salida caldera: 15,74 kg/Nm3 cble Porcentaje de oxígeno: 2,3 % Temperatura salida de gases: 182 ºC Temperatura ambiente: 25 ºC Pérdidas inquemados: 0,2 % Pérdidas purgas y radiación: 12,5 % Pérdidas humos: 8,2 % Se pretende instalar un sistema bi-transfer con fluido térmico para calentar el aire de entrada a la caldera mediante los gases de escape de la misma. Al introducir los gases de escape en el intercambiador de fluido térmico, se va a reducir su temperatura hasta 130 ºC. La temperatura de entrada y salida del fluido térmico al intercambiador va a ser de 70 ºC y 155 ºC respectivamente. 54 Recuperación de los gases de combustión De manera que el nuevo calor de pérdidas en los humos de la caldera será el siguiente (ver tabla 12, entalpía de gases de combustión): 15,74 kg/ Nm3 cble (34,63 - 6,6) kcal/kg = 441,19 kcal/ Nm3 cble PCI gas natural = 9.000 kcal/ Nm3 Pérdidas humos = 441,19 / 9.000 = 4,90 5,0 % El rendimiento de la caldera para las dos situaciones resulta: - Rendimiento situación actual = 100 - 12,5 - 0,2 - 8,2 = 79,1 % - Rendimiento situación futura = 100 - 12,5 - 0,2 - 5,0 = 82,3 % El ahorro porcentual obtenido es: Ahorro = 82,3 − 79,1 ⋅ 100 = 3,89 % 82,3 Si la caldera consume 2.500.000 kWh(PCS)/año de gas natural, el ahorro será de: Ahorro energético = 97.250 kWh kWh(PCS)/año Que equivalen a = 7,5 tep/año Se supone un precio de 2,1 c€/kWh(PCS) para el gas natural por lo que se tendrá un ahorro económico de: Ahorro económico = 2.042 €/año 55 2 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 7. LIMPIEZA DE SUPERFICIES En la combustión de combustibles sólidos, líquidos o de gases "no limpios", se producen habitualmente inquemados sólidos, partículas no totalmente quemadas que se conocen con el nombre de hollines. Estas partículas se depositan sobre las superficies de intercambio de calor, produciendo efectos nocivos, como son: - Actúan de aislante en la transmisión de calor, reduciendo así la eficiencia de los equipos. - Forman "costras" que se pegan a las superficies y que, normalmente, se impregnan de ácido sulfúrico (cuando el combustible contiene azufre), favoreciendo la corrosión de las superficies metálicas. Para un buen funcionamiento de los equipos es fundamental proceder periódicamente a la limpieza de las superficies de intercambio, eliminando los hollines que sobre ellas se depositan. Ejemplo: Limpieza de las superficies de intercambio de una caldera Una caldera cuyas condiciones de trabajo son las siguientes: Porcentaje de oxígeno: 3 % Temperatura salida de gases: 275 ºC Temperatura ambiente: 25 ºC Pérdidas (inquemados, purgas y radiación): 3 % Se somete a una limpieza, reduciéndose la temperatura de humos a 200º C. El combustible utilizado es gas natura. De acuerdo con la tabla 12: (74,1 - 6,6) kcal/kg 16,3 kg humos/ kg cble = 1.100,25 kcal/kg cble (46,7 - 6,6) kcal/kg 16,3 kg humos/ kg cble = 653,63 kcal/kg cble PCI gas natural = 9.000 kcal/Nm3, por lo que: 9.000 ·100 = 12,22% 1.100,25 9.000 ·100 = 7,26% 653,63 56 Recuperación de los gases de combustión El rendimiento de la caldera para las dos situaciones resulta: - Rendimiento situación actual = 100 - 3 - 12,22 = 84,78 % - Rendimiento situación futura = 100 - 3 - 7,26 = 89,74 % El ahorro porcentual obtenido es: Ahorro = 89,74 − 84,78 ⋅ 100 = 5,52 % 89,74 Si la caldera consume 5.000.000 kWh(PCS)/año de gas natural, el ahorro será de: Ahorro energético = 275.000 kWh kWh(PCS)/año Que equivalen a = 23,64 tep/año Se supone un precio de 2,1 c€/kWh(PCS) para el gas natural por lo que se tendrá un ahorro económico de: Ahorro económico = 5.775 €/año 57 2 3 AISLAMIENTO INDICE AISLAMIENTO 1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 2. TIPOS DE AISLANTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 3. EL AISLANTE REFLECTANTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64 4. AISLAMIENTO DE LOS DIFERENTES EQUIPOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65 4.1 Aislamiento de tuberías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65 4.2 Aislamiento de accesorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68 4.3 Aislamiento de superficies de depósitos abiertos . . . . . . . . . . . . .70 4.4 Aislamiento de equipos de recuperación del calor de los gases . . . .71 4.5 Aislamiento de calderas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71 AISLAMIENTO 3 Aislamiento 1. INTRODUCCIÓN Durante el transporte, almacenamiento o intercambio de calor de un fluido calorportador, éste pierde parte de ese calor por la transmisión directa al aire a través de las paredes de calderas u hornos, a través de las paredes de tuberías por las que son transportados y a través de las paredes de los depósitos en que son almacenados. Una cuantificación aproximada y sencilla de esas pérdidas de calor que se producen en los diferentes puntos se realiza a través de tablas. A continuación se indican las tablas en las que se pueden estimar dichas pérdidas de calor. · Pérdidas por paredes Tablas 30, 31 · Pérdidas en aberturas Tabla 32 · Pérdidas en superficies cilíndricas Tablas 33, 34, 35, 37 · Pérdidas en superficies planas Tabla 36 · Pérdidas en depósitos Tablas 38, 39 · Pérdidas en tuberías y accesorios Tabla 40 Las pérdidas de calor en otros equipos podrán resolverse como combinación entre elementos cilíndricos y planos. Los aislantes se emplean para evitar, en gran medida, las pérdidas de calor que se produce en los distintos puntos de una instalación. 2. TIPOS DE AISLANTES Una primera clasificación de los aislantes se realiza atendiendo a la forma que tienen de transferir el calor. De esta manera se tienen: - Aislantes en masa Estos aislantes contienen pequeñas bolsas de aire en su interior que, debido a su baja conductividad térmica, presentan una gran oposición al paso de calor por conducción. Estas bolsas, a su vez, son lo suficientemente pequeñas como 61 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS para evitar que se formen corrientes de aire que favorecerían la transferencia de calor por convección. - Aislantes reflectantes Una de sus características principales es la alta reflexividad de estos aislantes, por lo que reflejan la mayoría del calor que reciben por radiación, y su baja emisividad permite que la emisión de calor por parte de estos aislantes debido a la temperatura alcanzada sea despreciable. Otra forma de clasificar los aislantes es atendiendo a la temperatura a la que van a ser utilizados. - Aislantes en masa para alta temperatura Se consideran aislantes de alta temperatura los que realizan su trabajo a temperaturas supriores a 100 ºC. Se emplean para aislar calderas, redes de vapor, redes de agua caliente… Por encima de 1.250 ºC (hogares de calderas, hornos, secaderos…) se emplean materiales refractarios para realizar el aislamiento. 62 Aislamiento - Aislantes en masa para baja temperatura Son los aislantes empleados en construcción para controlar las condiciones ambientales de edificios y economizar combustibles. Se utilizan desde temperaturas negativas hasta a veces 100º C. El problema de estos aislantes radica es la humedad que se produce como consecuencia de la condensación o por la penetración del vapor de agua en la masa del aislante. Por lo tanto, para que un aislante sea efectivo a baja temperatura necesitará una protección contra la penetración del vapor de agua. Esta protección se denomina barrera de vapor. A la hora de seleccionar un aislante u otro, habrá que tener en cuenta varios factores: - Si se precisa aislante en masa o aislante reflectante. - Conductividad térmica del aislante en masa. - Emisividad del aislante reflectante. - Campo de temperatura en el que ha de trabajar. - Densidad en caso de aislante en masa. - Resistencia a impregnarse de humedad. 63 3 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS - Capacidad de secado rápido si se impregna de humedad. - Estabilidad. - Resistencia a la combustión. - No desprender gases tóxicos en caso de combustión. - Facilidad de colocación. - Resistencia al daño y al deterioro. - Resistencia a la deformación y contracción. - Facilidad para recibir un acabado exterior superficial. - No ser peligroso para la salud durante su instalación. - Capacidad para evitar la condensación en su superficie, sobre todo en ambientes en los que se pueden dar problemas de rocío ácido. 3. EL AISLANTE REFLECTANTE Como se ha explicado anteriormente este tipo de aislantes tiene una alta reflexividad que les permiten reflejar la mayor parte del calor que reciben por radiación, y una baja emisividad por lo que puede considerarse despreciable el calor que emiten por radiación debido a la temperatura que alcanzan. Desde el punto de vista del poder aislante puede afirmarse que el aislamiento reflectante puede ser tan efectivo o más que el aislamiento en masa. El poder aislante aumenta con el número y disposición de las superficies reflectantes colocadas en el camino del calor. Además de la reducción de transmisión de calor por radiación que se produce empleando estos aislantes, la colocación de varias superficies reflectantes también reduce la transmisión de calor por convección ya que se limitan las corrientes convectivas. 64 Aislamiento Las ventajas de emplear aislantes reflectantes frente a los aislantes en masa pueden resumirse en: - Son menos pesados. - No absorben la humedad. - Los aislantes en masa pueden absorber líquidos inflamables con el consiguiente peligro de explosión o incendio. Cabe mencionar que los aislantes en masa son más resistentes a la corrosión que los reflectantes. 4. AISLAMIENTO DE LOS DIFERENTES EQUIPOS 4.1 Aislamiento de tuberías El aislamiento de una tubería dependerá, en primer lugar de la temperatura del fluido que vaya a transportar. Según este criterio se tiene: - Fluido a alta temperatura Dentro de este grupo pueden encontrarse las redes de vapor o las de agua caliente sobrecalentada. No son válidos todos los aislantes encuadrados en el grupo de aislantes en masa para alta temperatura, sino solamente aquellos en los que el límite superior exceda a la temperatura del fluido (ver aislantes para alta temperatura). Por otro lado, dentro de los aislantes reflectantes, la adopción de láminas de aluminio con aislante en masa intermedio podría ser una buena solución. - Fluido a media temperatura En este grupo se encuentran las redes de condensados o las de aguas calientes. La mayor parte de los aislantes en masa para alta temperatura y la mayor parte de los aislantes para baja temperatura son válidos para este caso. Dado que la radiación es pequeña, por ser la temperatura del fluido media, no es importante, en este caso, utilizar aislantes reflectantes. - Fluidos a baja temperatura Los fluidos fríos en máquinas de generación de frío industrial o el agua fría para la refrigeración pueden ser dos ejemplos. Para este caso son válidos todos los aislantes en masa para baja temperatura. En cuanto a los aislantes reflectantes es aconsejable utilizarlos para reflejar la radiación que pudiera llegar a la tubería desde el exterior, tanto la radiación solar como la emitida por otros elementos calientes de la fábrica. 65 3 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Una forma rápida para estimar el diámetro del aislante que se va a emplear en una tubería es utilizando la siguiente tabla. En ella se relacionan dos variables geométricas como los diámetros de la tubería y del aislante y otras dos termotécnicas como la conductividad del aislante y la resistencia térmica deseada. La resistencia térmica del aislamiento R se define como: ⎛D⎞ Ln⎜ ⎟ D ⎝d⎠ R= 2 K Ejemplo: Determinar el diámetro del aislamiento para una tubería. Se quiere aislar una tubería de 90 cm de diámetro con poliestireno para conseguir que las pérdidas de calor a través de las paredes del conducto no superen las 15 kcal/h·m2. Para ello, la temperatura entre la superficie exterior de la tubería y el ambiente no será superior a 30 ºC. A través del aislante circulará un flujo de calor: Q= ΔT , R por lo tanto, la resistencia térmica del aislamiento vale R = 30/15 = 2. 66 Aislamiento La conductividad del aislante tiene un valor de K = 0,035 y el diámetro de la tubería es d = 90 cm. Se traza la recta que une R = 2 con K = 0,035 y donde corta la recta auxiliar vertical (punto 0) se une, a su vez, con que será el radio del aislamiento. d = 0,45 m obteniéndose D = 0,48 m. 2 2 Para evitar que el líquido que circula por el interior de las tuberías se congele o aumente su viscosidad, en ocasiones es necesario utilizar vapor para calentar la tubería. Si es un gas el que circula por la tubería este método se emplea para evitar condensaciones de alguno de sus componentes. Puede ser preciso el calentamiento con vapor en los casos siguientes: - Temperatura ambiente inferior a la de congelación del líquido. - Líquidos que aumentan su viscosidad a temperaturas incluso no muy bajas. - Gases que pueden condensarse y crear problemas asociados al rocío ácido. En general, cuando se utiliza el calentamiento por vapor se debe utilizar un aislamiento para evitar pérdidas de calor. En algunos casos el aislamiento puede ser suficiente para evitar los problemas anteriormente indicados y no es preciso el calentamiento con vapor. Ejemplo: Aislamiento de tubería Se pretende aislar una tubería recta instalada en el exterior de un edificio, y que no está protegida del viento: Diámetro exterior: 200 mm Longitud de la tubería a aislar: 150 m Temperatura de la pared exterior: 80 ºC Temperatura ambiente: 20 ºC De acuerdo a la tabla 33, las pérdidas de calor en la tubería son: 324 kcal/h.m · 150 m = 48.600 kcal/h Si aislamos la tubería, obteniendo un diámetro exterior de 300 mm y una temperatura de la pared de 40 ºC, las pérdidas en la tubería serán (ver tabla 34): 65 kcal/h.m · 150 m = 9.750 kcal/h 67 3 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS La diferencia de pérdidas es de 38.850 kcal/h. Suponiendo que la generación y distribución del vapor tenga un rendimiento de 78%, la energía ahorrada sería de 49.808 kcal/h, lo que equivale a 64,35 kW (PCS) de gas natural. Considerando un funcionamiento anual de 5.760 h/año, se tendrá un ahorro de: Ahorro energético = 370.656 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 29 tep/año Para un precio de gas natural de 2,6 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 9.637 €/año 4.2 Aislamiento de accesorios Se van a estudiar las pérdidas de calor en diferentes accesorios siguiendo la norma alemana V.D.I. 2055. - Válvulas En las siguientes tablas se incluyen las pérdidas de calor correspondientes a válvulas colocadas en tuberías y expresadas en longitudes equivalentes de tubería, sin tener en cuenta las bridas. Pérdidas suplementarias debidas a los accesorios considerando locales cerrados, no expuesta la instalación al exterior. 68 Aislamiento Pérdidas suplementarias debidas a los accesorios considerando al aire libre la instalación. - Bridas Si las bridas están desnudas se considera que la pérdida de calor es la tercera parte de la pérdida en la válvula del mismo diámetro de tubería. Si por el contrario están aisladas se considera que la pérdida de calor es la misma que si fuera una longitud igual de tubería. - Soportes de tuberías Si las tuberías están situadas en el interior hay que añadir el 15% de las pérdidas calculadas sin accesorios. Si están situadas en el exterior y protegidas del viento hay que añadir el 20%. Si están situadas en el exterior y no protegidas del viento hay que añadir el 25%. - Anillos soporte del recubrimiento del aislamiento Si la protección del aislamiento es de chapa de hierro o aluminio y la distancia entre los soportes es de 1m, deben añadirse unas cantidades adicionales a la conductividad térmica del material aislante. 69 3 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 4.3 Aislamiento de superficies de depósitos abiertos En los depósitos que contienen líquidos calientes y que deben estar abiertos a la atmósfera, existe una gran pérdida de calor a través de la superficie libre del líquido. En estos casos suele ser conveniente aislar dicha superficie, creando una barrera superficial de bolas flotantes que suelen ser de una sustancia plástica de baja conductividad térmica. Se pueden utilizar, por ejemplo, bolas de polipropileno, bien rígidas o bien de estructura rígida pero fácilmente aplastable. El sistema de carga del depósito condiciona la utilización de las bolas, al igual que el drenaje del mismo; sin embargo, siempre es posible llegar a un compromiso entre estos dos condicionantes y la utilización total o parcial de las bolas aislantes superficiales. Ejemplo: Aislamiento de un depósito Se pretende aislar un depósito de almacenamiento de fuel oil cilíndrico y de eje vertical: Diámetro: 2 m Altura: 3 m Temperatura de la pared exterior: 30 ºC Temperatura ambiente: 15 ºC De acuerdo a la tabla 38, las pérdidas de calor en el depósito son: Cubierta y fondo: 1.433 kcal/h Pared vertical: 1.040 kcal/h.m · 3 m = 3.120 kcal/h Por lo que las pérdidas totales son de 4.553 kcal/h. Si se aísla el depósito, para alcanzar una temperatura de pared exterior de 25º C, las pérdidas en la nueva situación son: Cubierta y fondo: 641 kcal/h Pared vertical: 451 kcal/h.m · 3 m = 1.353 kcal/h Por lo que las pérdidas totales son de 1.994 kcal/h, y la diferencia de pérdidas es de 2.559 kcal/h. Considerado que la generación y distribución del vapor tenga un rendimiento de 82%, el ahorro obtenido será de 3.121 kcal/h, que equivale a 4,03 kW (PCS) de gas natural. 70 Aislamiento Si la fábrica esté en funcionamiento 5.760 h/año, el ahorro obtenido será de: Ahorro energético = 23.213 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 1,8 tep/año Para un precio de gas natural de 2,5 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 580 €/año 4.4 Aislamiento en equipos de recuperación de calor de gases Los equipos de recuperación de calor de gases deben estar aislados para evitar pérdidas. Si los gases son de combustión es necesario aislar por otro motivo adicional que es el de evitar los problemas de rocío ácido que se producirían si las superficies de intercambio se enfriaran excesivamente. Los economizadores suelen llevar el aislamiento situado entre las carcasas interior para soporte de tubos y exterior para protección del aislamiento. Dado que la temperatura de los gases corresponde a la zona definida como media y alta temperatura, deberían utilizarse aislantes en masa capaces para dicha temperatura. La forma y disposición de los calentadores de aire suele ser similar a los economizadores. 4.5 Aislamiento en calderas Las pérdidas por conducción y radiación de una caldera no pueden medirse exactamente; son, en general, valores experimentales y varían mucho de unas calderas a otras, así como según la carga a la que está trabajando. El tipo de aislamiento dependerá de si estamos trabajando con calderas pirotubulares o acuotubulares. - Calderas pirotubulares Las calderas pirotubulares han de estar perfectamente aisladas tanto en la virola como en los fondos. El aislamiento de la virola debe realizarse siguiendo las normas de aislamiento para superficies cilíndricas, empleando aislantes en masa para alta temperatura. La superficie exterior del aislante debe recubrirse con una lámina metálica para protegerlo y darle compacidad a todo el conjunto. También pueden emplearse aislantes reflectantes. El aislamiento de los fondos debe realizarse como si fueran superficies planas y el aislante debe estar recubierto de una lámina metálica. Igualmente, deben aislarse todos los accesorios y tuberías que conduzcan fluidos calientes, así como los aparatos de instrumentación y control en sus conexiones con la caldera. 71 3 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS - Calderas acuotubulares Dentro de las calderas acuotubulares se encuentran las de hogar de ladrillo refractario y las de hogar de paredes de agua. Los ladrillos refractarios que pueden ser cerámicos o fabricados en base a cementos plásticos. El aislamiento del hogar debe completarse con una segunda capa de material aislante. En función de las características termotécnicas de esta segunda capa, se determina el espesor de la capa de ladrillo refractario. Como consecuencia, conviene elegir una combinación adecuada de ladrillo refractario y aislante, de tal forma que el espesor total de la pared del hogar sea el adecuado para que en él no se almacene una cantidad muy alta de calor que se perdería en las paradas y arranques, así como en las variaciones de carga que tuvieran como consecuencia variaciones en la temperatura del hogar. En calderas grandes no es posible construir un hogar solamente con ladrillo. En consecuencia se utilizan paredes de agua en los hogares que pueden ser de muy diversos tipos: - Paredes de tubos y ladrillos. - Paredes de tubos tangentes y ladrillos. - Paredes con tubos de membrana metálica. La utilización de los diferentes tipos de pared de agua está condicionada por diversos factores tales como carga de la caldera, tipo de combustible, tamaño del hogar, etc., y otros muchos que la práctica aconseja. Por otro lado, los aislantes y los refractarios que han de ser utilizados serían función de cómo se encuentren situados los tubos y de la utilización o no de una carcasa metálica exterior. 72 4 REDES DE FLUIDOS TÉRMICOS Y RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS INDICE REDES DE FLUIDOS TÉRMICOS Y RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS 1.- REDES DE FLUIDOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75 1.1.- Red de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75 1.1.1.- Condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78 1.1.2.- Acumulador de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79 1.1.3.- Aislamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80 1.1.4.- Evaporación en cascada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80 1.1.5.- Termcompresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81 1.2.- Redes de líquidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 1.3.- Red de alimentación de calderas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85 2.- RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87 REDES..... Redes de fluidos térmicos y recuperación de condensados 1. REDES DE FLUIDOS Entre las redes de fluidos térmicos destacan la red de vapor y la de otros líquidos (calientes y fríos…). También se analizará la red de alimentación de calderas. Colector de distribución de Vapor 1.1 Red de vapor Para realizar el cálculo de la conducción del vapor será necesario conocer la velocidad a la que circula el mismo. A modo orientativo se incluye la siguiente tabla con las velocidades habituales del vapor. 75 4 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Las pérdidas de carga que se producen en la conducción del vapor pueden calcularse mediante la Tabla 21. La distribución del vapor puede realizarse a alta o baja presión en base a los siguientes factores: - Pérdida de carga admitida. - Diámetro de tubería necesario y coste de la misma. - Coste del aislamiento de la tubería. - Pérdidas de calor y coste de las mismas. - Ventajas que presenta la circulación del vapor sobrecalentado frente al vapor saturado seco. Las fugas de vapor que pudieran producirse en la conducción del mismo son de suma importancia ya que disminuye la eficiencia energética de la instalación. El caudal de vapor que se pierde por un orificio responde a la siguiente expresión: Q = K ·d 2 P (P + 1) Donde: Q = Caudal de fluido que sale por el orificio [kg/h] d = diámetro del orificio [mm] P = Presión manométrica del vapor [kg/cm2] K = 0,35-0,45 Un elemento importante en la conducción de vapor es el purgador. Un purgador de vapor es una válvula automática instalada en una conducción de vapor para eliminar los condensados. Es importante que los purgadores funcionen con alta fiabilidad, ya que el efecto de los condensados o el aire o gases sobre las superficies de intercambio de calor reduce el coeficiente de transmisión global. Además, ciertos gases como el CO2 y O2 en el vapor producen la corrosión del metal. Purgador 76 Redes de fluidos térmicos y recuperación de condensados Las incursiones de aire en los conductos del vapor originan problemas como los que se indican a continuación: - Pérdidas de carga adicionales. Disminución del volumen útil. Interferencia en la transmisión de calor. Disminución de la presión parcial del vapor. Por todo esto es importante eliminar el aire de las conducciones: - Impidiéndole entrar. - Empleando desgasificadores. - Empleando medios mecánicos como los purgadores. Ejemplo: Fugas en tuberías de vapor Una tubería de vapor que trabaja a 5 atm tiene 6 puntos de fuga: 2 de 3 mm y 4 de 6 mm. A continuación se calculan las pérdidas de vapor, de acuerdo a la Tabla 45. - En los orificios de 3 mm: 15 kg/h - En los orificios de 6 mm: 65 kg/h Pérdidas de vapor = (2 · 15 kg/h) + (4 · 65 kg/h) = 290 kg/h Tabla 45. Fugas de vapor a la atmósfera a través de un orificio Si el vapor es producido en una caldera de fuelóleo (PCI = 9.900 kcal/kg), que funciona durante 4.500 horas al año con un rendimiento de 82 %, y el agua de alimentación a caldera entra a 90 ºC, el ahorro obtenido al eliminar las fugas de vapor, es: 77 4 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Ahorro combustible = 91.035 kg/año Que equivalen a = 91 tep/año 1.1.1 El condensador Otro elemento importante en la red de vapor es el condensador. En estos equipos el vapor se condensa transfiriendo su calor a un fluido refrigerante (normalmente agua). Existen diferentes tipos de condensadores: - Condensador spray - Condensador de chorro - Condensador de eyector Balance de masa y energía en el condensador: Despreciando pérdidas de masa, se tiene que: M A + MV = M C El balance de energía queda de la siguiente manera: M A · h A + M V · hV = M C · hC ⇒ M A · h A + M V · hV = (M A + M V )· hC En consecuencia: hC = M A · h A + M V · hV M A + MC Por lo tanto, si conocemos las cantidades de vapor y agua fría y sus temperaturas y presiones, podremos calcular sus entalpías con las Tablas 16 y 13. Por 78 Redes de fluidos térmicos y recuperación de condensados aplicación de la ecuación anterior se puede obtener la entalpía del agua caliente y volviendo a la Tabla 13 nuevamente, su temperatura. Debido a las variaciones en la demanda del vapor variará la producción de éste así como el índice de carga del generador de vapor. Estas variaciones originan problemas y reducen el rendimiento. 1.1.2 Acumuladores de vapor Para resolver el problema de las variaciones de carga en el generador de vapor se puede pensar en "guardar" el calor útil del vapor empleando acumuladores de vapor de forma que en cualquier momento pueda recuperarse para responder a las variaciones de la demanda del mismo. Acumulador de vapor El calor del vapor se puede acumular de dos formas: - Almacenar el calor del vapor en agua. - Almacenar el vapor sobrante. Requiere grandes volúmenes de almacenamiento. Existen calderas que pueden realizar las funciones de generador y de acumulador de vapor. Son conocidas como calderas de almacenamiento térmico. Ejemplo: Cálculo de un acumulador de vapor Una caldera de recuperación de una fábrica funciona con un determinado ciclo de 20 minutos: Durante 5 minutos produce un caudal de 10 t/h de vapor a 15 bar y los 15 minutos restantes no produce vapor. El caudal demando en fábrica es de 8 t/h y 4 bar, por lo que los primeros 5 minutos se vierte a la atmósfera un caudal de vapor de 2 t/h, y durante los 15 minutos siguientes se emplea una caldera que consume gas natural para satisfacer la demanda. Se plantea a continuación instalar un acumulador de vapor, para regularizar la producción: Durante los primeros 5 minutos acumula las 2 t/h que se vertían a la atmósfera, alcanzando una presión de 10 bar; durante los siguientes 15 minutos cede vapor reduciendo la presión hasta 4 bar. 79 4 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS De la tabla de entalpías para el agua: Entalpía del vapor saturado a 15 bar: 666,37 kcal/kg Entalpía del agua saturada a 10 bar: 182,15 kcal/kg Entalpía del vapor saturado a 4 bar: 144,43 kcal/kg El balance de energía en el acumulador, siendo m la cantidad de agua acumulada en toneladas: m ˜ 144,43 kcal kcal t t kcal = (m + 2 ˜ 15/60) ˜ 182,15 + 2 ˜ 15/60 ˜ 666,37 kg kg kg h h Del balance se obtiene que m = 6,42 t de agua, por lo que se instalará un acumulador de 8 t. El ahorro por no emplear la caldera de gas natural, suponiendo un rendimiento del 74 % es: 2 kcal t 15 kcal 1 = 1.712 kW(PCS) ˜ ˜ 653,88 ˜ = 1.325.432 kg h 20 0 ,74 h Que para un funcionamiento de 6.000 horas al año supone un ahorro energético de: Ahorro energético = 1.712 kW(PCS) · 6000 h/año = 10.272.000 Wh(PCS)/año Que equivalen a = 795 tep/año Se supone un precio de 2,3 c€/kWh(PCS) para el gas natural por lo que se tendrá un ahorro económico de: Ahorro económico = 10.272.000 kWh(PCS) · 0,023 €/kWh = 236.256 €/año 1.1.3 Aislamiento Un aspecto importante en la red del vapor es el correspondiente al del aislamiento. La red de vapor deberá estar convenientemente aislada para evitar al máximo las pérdidas de calor. El aislamiento será el correspondiente a los aislantes de alta temperatura teniendo en cuenta que el límite superior de temperatura del aislante tendrá que estar por encima de la temperatura del vapor. 1.1.4 Evaporación en cascada Este proceso consiste en evaporar agua de una disolución y utilizar posteriormente la entalpía del vapor formado para seguir evaporando más agua y con- 80 Redes de fluidos térmicos y recuperación de condensados centrando más la disolución. La primera evaporación se realizara utilizando una fuente exterior de calor. En el evaporador 1 se introduce vapor de la fábrica que puede provenir de la salida de una turbina o de la red correspondiente. Por otro lado se introduce la disolución a concentrar. Ambos fluidos están separados por superficies de intercambio, de tal forma que el vapor calefactor se condensa, y parte del agua de la disolución se evapora, pasando este nuevo vapor al evaporador 2 donde se repite la operación. Al final, la disolución está lo suficientemente concentrada como para pasar a los cristalizadores, y del evaporador sale vapor. La mayor parte de la entalpía de este último vapor está asociada a su calor latente, por lo que es conveniente recuperar este calor. 1.1.5 Termocompresión Se utiliza este proceso para aumentar la temperatura y presión de un vapor degradado convirtiéndolo en vapor de mejor calidad. El esquema consiste en una mezcla de vapores: el degradado y otro vapor de mejor calidad que aquél que se quiere obtener finalmente. Esta operación de mezclado se realiza con un eyector, que, al pasar el vapor a presión alta aspira el vapor degradado y se mezclan ambos vapores en la tobera de salida dando el vapor deseado. Termocompresor 81 4 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Ejemplo: Termocompresión para recuperar pérdidas por vapor flash Una fábrica de fibras sintéticas perdía un caudal de 230 kg/h de vapor flash en el depósito atmosférico de expansión de condensados previo al desgasificador. Se va a recuperar mediante termocompresión ese vapor, obteniendo vapor a 5 kg/cm2. Parte de ese vapor se lamina posteriormente a 2 kg/cm2 y 1 kg/cm2 para cubrir las demandas de fábrica. Para realizar El esquema de la termocompresión sería el siguiente: El consumo de vapor a 8 kg/cm2, m, para lograr el vapor a 5 kg/cm2, se calcula realizando un balance de energía: (0,23 t/h · 638,84 kcal/kg) + (m t/h·660.81 kcal/kg) = (m + 0,23) t/h·656,03 kcal/kg m = 1,06 t/h de vapor a 8 kg/cm2 Por lo tanto, el ahorro obtenido para un funcionamiento de la fábrica de 7.800 h/año, y considerando la generación de vapor en una caldera convencional a gas natural con un rendimiento del 85%: 0,23 A. Energético = t h kcal ˜ 7.800 ˜ (638,84  20) h año kg kcal 860 ˜ 85% ˜ 0,9 kWh Que equivalen a = 131 tep/año 82 1.687.489 kWh(PCS)/año Redes de fluidos térmicos y recuperación de condensados Se supone un precio de 2,3 c€/kWh(PCS) c€/kWh(PCS) para el gas natural por lo que se tendrá un ahorro económico de: Ahorro económico = 1.687.489 kWh(PCS)/año · 0,023 c€/kWh(PCS) = 38.812 €/año 1.2 Redes de líquidos Las redes de líquidos pueden transportar tanto líquidos calientes como fríos, así como otros líquidos (reactivos químicos). Se ha establecido la Tabla 27 para el cálculo de las viscosidades de los líquidos en función de su temperatura. Una vez conocida la viscosidad se puede calcular la pérdida de carga en la Tabla 28, sin más que buscar la temperatura a la que el agua tendría la misma viscosidad que el líquido de que se trata. Para el cálculo de la pérdida de carga en accesorios se emplea la Tabla 29. En las conducciones y depósitos de líquidos calientes habrá que tener en cuenta el aislamiento. Éste, estará determinado por la temperatura del líquido. En las redes de otros líquidos, como pueden ser los reactivos químicos, un aspecto importante es el de la agitación del mismo. El propósito principal consiste en mover el líquido alrededor de un depósito. Se suele utilizar para mezclado de líquidos, para mantenimiento de una concentración uniforme de sólidos en suspensión en toda la masa del líquido, para originar corrientes de convección forzada que garanticen transferencia de calor eficiente a toda la masa y, en algunos casos, para favorecer algunas reacciones químicas. La agitación puede ser de dos tipos. - Agitación controlada por caudal - Agitación controlada por agitador mecánico El sistema de bombeo de estas redes de líquidos es muy similar al de la red de alimentación de calderas que se verá más adelante. Ejemplo: Cálculo de pérdidas de carga en tuberías Se pretende trasvasar un caudal de 62.000 kg/h de fuelóleo a 25 ºC, por una tubería con las siguientes características: 200 m de tubería 5 codos a 90º 1 contracción de ¾ 2 codos a 45º 83 4 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 1 válvula de compuerta abierta Se van a analizar las pérdidas de carga para dos tuberías de 130 y 150 mm de diámetro. De la tabla 29, se obtiene la longitud equivalente de la tubería, y de la tabla de pérdidas de carga del fuelóleo, la pérdida de carga correspondiente: - Tubería de 152 mm; velocidad = 1 m/s L.E. == 200 200++5(5 · 10) (2·+ 2,2) + 1 =m 256,4 m L.E. ⋅ 10 + 1 ++ 1 2⋅ +2,2 1 = 256,4 Pérdida de carga = 1,1534 ⋅ - 256,4 = 2,96 kg/cm2 100 Tubería de 102 mm; velocidad = 2,27 m/s L.E. · 6,2) + 0,7 (2·+1,5) 0,7 = m 235,4 m L.E. = 200 ++ 5(5⋅ 6,2 + 0,7 + 2⋅+1,5 0,7 =+ 235,4 Pérdida de carga = 5,883 ⋅ 84 235,4 = 13,84 kg/cm2 100 Redes de fluidos térmicos y recuperación de condensados Se observa que en la tubería de mayor diámetro la pérdida de carga es mucho menor. 1.3 Red de alimentación de calderas La red de alimentación de calderas comienza en el condensador, donde se recoge el condensado del vapor. Se trata del mismo equipo visto en la red de vapor. El agua procedente del condensador, así como el agua de aportación empleada para compensar las pérdidas por fugas y por purgas se almacena en un depósito. Este depósito contendrá agua a temperatura media por lo que su aislamiento deberá ser el adecuado para dicha temperatura. Para realizar el diseño del depósito habrá que seguir las normas habituales para este tipo de instalaciones. Otro elemento importante en la red de alimentación de la caldera son las tuberías. Éstas deberán estar aisladas acorde con la temperatura del agua que transportan. Las pérdidas de carga que se producen en la conducción del agua se pueden calcular a través de las Tablas 28 y 40. 85 4 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Antes de introducir el agua en la caldera pasa por el economizador. Como se ha visto anteriormente, en el economizador se eleva la temperatura del agua aprovechando parte del calor de los humos de la combustión. Ésta es una forma muy habitual de mejorar la eficiencia de la caldera. La alimentación de agua a la caldera se efectúa mediante bombas centrífugas que estarán caracterizadas por su curva característica. La elección correcta de la bomba dependerá del sistema de alimentación. Se consiguen ahorros importantes de energía si se elige la bomba correctamente y si se tiene un buen sistema de regulación. El sistema de bombeo se estudia con más detalle más adelante. Uno de los elementos más importantes de la red de alimentación de las calderas es el agua. El agua deberá cumplir con unas características mínimas para que pueda conseguirse el correcto funcionamiento de la caldera. Estas características dependerán de una serie de factores entre los que destacan: - Transmisión de calor específica. - Vaporización específica. - Detalles de construcción de la caldera. - Impurezas del agua. A modo orientativo se incluye la norma UNE-9075 con las características para el agua que circula por el interior de las calderas. 86 Redes de fluidos térmicos y recuperación de condensados 2. RECUPERACIÓN DE CONDENSADOS Los condensados del vapor y el agua caliente tienen una gran cantidad de energía térmica que se puede recuperar. El calor se recupera bien por métodos directos o por métodos indirectos. En los métodos directos se trata de aprovechar el calor del condensado, bien almacenándolo a una presión superior a la correspondiente a la temperatura de saturación o bien inyectándolo directamente a la caldera. Lo normal es que la presión del condensado sea inferior a la de la caldera por lo que habrá que utilizar bombas. Empleando los métodos indirectos se transfiere el calor del condensado o del agua caliente a otro fluido por medio de intercambiadores de calor. Este método suele emplearse cuando los condensados o el agua caliente tienen un grado de contaminación tal que hacen imposible su recuperación directa. También es el caso en el que se quiera recuperar el calor del condensado o del agua caliente para calentar otro fluido. En los casos en los que el agua esté muy contaminada se emplean intercambiadores especiales ya que la contaminación puede adherirse al interior de los tubos actuando como aislante. Estos intercambiadores son fácilmente desmontables para su limpieza. Ejemplo: Recuperación de los condensados de un proceso productivo Un proceso productivo tiene una demanda de 40 m3/h de agua caliente a 80 ºC. Para conseguir este agua se generan 4 t/h de vapor en una caldera de vapor de gas natural, que se inyectan en un depósito y se mezclan con agua fría a 15 ºC. Esta caldera tiene un consumo medio de 828,06 kWh (PCS)/tvapor. Por otra parte se tiene otro proceso productivo del que se extraen 4 m3/h de condensados a 183 ºC. Se propone utilizar estos condensados para calentar parte del agua fría y almacenarla en un depósito a 80 ºC y así reducir la demanda de vapor. Con esta nueva instalación se consigue reducir el consumo de vapor hasta 2,5 t/h. 87 4 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Si la fábrica trabaja 2.000 h/año, el consumo de vapor evitado por calentar parte del agua fría con los condensados, sería de: t h = 3.000 t/año (4 − 2,5) ⋅ 2.000 h año Por lo tanto, el ahorro de combustible en la caldera sería: Ahorro energético= 3.000t/año 828,06kWh(PCS)/t = 2.484.180kWh(PCS)/año Que equivalen a = 192 tep/año Se supone un precio de 2,3 c€/kWh(PCS) para el gas natural por lo que se tendrá un ahorro económico de: Ahorro económico = 2.484.180 kWh(PCS)/año 0,023 c€/kWh(PCS) = 57.136 €/año 88 5 QUEMADORES INDICE QUEMADORES 1.- INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91 2.- QUEMADORES DE GAS NATURAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92 2.1.- Tipos de quemadores de gas natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93 2.1.1.- Quemadores convencionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93 2.1.2.- Quemador auto-recuperador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93 2.1.3.- Quemador regenerativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94 2.1.4.- Quemador de doble recuperación . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95 2.1.5.- Quemador de combustión sumergida . . . . . . . . . . . . . . . .100 3.- QUEMADORES DE FUELÓLEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 3.1.- Tipos de quemadores de fuelóleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102 3.1.1.- Quemador de tipo rotativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102 3.1.2.- Quemador de registro de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102 QUEMADORES 5 Quemadores 1. INTRODUCCIÓN En los quemadores se lleva a cabo la combustión del combustible con el objeto de generar un calor aprovechable. La combustión es la reacción de oxidación controlada de un combustible en presencia de un comburente. El comburente suele ser el aire ambiente, en ocasiones enriquecido con oxígeno. Tetraedro del fuego Hay tres tipos de combustión: - Combustión completa: Es la combustión en la que todos los productos se encuentran en su máximo grado de oxidación. No se producen inquemados. - Combustión neutra: Es la combustión completa pero con el aire estrictamente necesario (aire estequiométrico). - Combustión incompleta: Es la combustión el la que no todos los productos alcanzan su máximo grado de oxidación. Aparecen inquemados. Los combustibles se clasifican en: - Sólidos - Líquidos - Gaseosos 91 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Los combustibles gaseosos son los más empleados en la actualidad y en especial el gas natural. 2. QUEMADORES DE GAS NATURAL Quemador de gas natural A continuación se muestra la composición media y algunas propiedades del gas natural. 92 Quemadores 2.1 Tipos de quemadores de gas natural: 2.1.1 Quemadores convencionales - Quemadores de combustión central: La caña de gas es concéntrica y exterior al atomizador de fuelóleo. En general tiene más aplicación en instalaciones con gas rico en proporciones masivas, suministrado a presión relativamente alta 2-3 kg/cm2 y donde no es preceptivo el funcionamiento simultáneo de fuelóleo y gas. - Quemadores de anillo interior: De gran aplicación para gases ricos y medios y que pueden operar con presiones más bajas del combustible. El derrame de gas en la cámara de combustión se produce por medio de una serie de pequeñas toberas en la periferia del anillo. Puede indistintamente funcionar con atomizador central de fuelóleo, de forma simultánea o alternativa. - Colector tórico exterior con bastones: Es extraordinariamente simple y válido para fuelóleo y/o gas. Tiene la ventaja en general de poder realizar la reposición de bastones sin parar la caldera ni la propia combustión de gas. Con el tiempo se han desarrollado nuevos tipos de quemadores de gas natural que mediante diferentes medios, aumentan el rendimiento de la combustión y por consiguiente el del equipo al que pertenezcan. 2.1.2 Quemador auto-recuperador Se trata de un quemador que es generador y recuperador de calor simultáneamente. El quemador está rodeado por un recuperador gas-gas que actúa como calentador del aire de combustión que circula en sentido opuesto al de los gases de escape. Los quemadores auto-recuperadores presentan ciertas ventajas frente a los quemadores convencionales, entre las que destacan: - Al precalentar el aire de combustión se experimenta un aumento del rendimiento, que se traduce en una disminución en el consumo de gas. - Se experimenta un aumento en la temperatura de la llama. - Existe la posibilidad de regulación electrónica que controla a cada momento la relación aire/gas. - El diseño compacto de los quemadores permite que sean rápidamente instalados. Del mismo modo, el empleo de estos quemadores conlleva ciertos inconvenientes: 93 5 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS - Están limitados a una temperatura de operación entre 600 y 1.400 ºC. - Su funcionamiento no es del todo fiable cuando trabajan muy por debajo de su potencia nominal. - Si están sometidos a temperaturas superiores a los 1.000 ºC, necesitarán cada cierto tiempo un recambio, lo que supone un incremento en la inversión. Estos quemadores se emplean principalmente en las siguientes aplicaciones: - Hornos de forja, laminación y estampado. - Hornos de recalentamiento de metales férreos. - Hornos intermitentes de calcinación y secado. - Hornos de impregnación térmica. - Hornos de tratamiento térmico del acero y del hierro fundido. - Hornos de fundición de metales no férreos y mantenimiento de temperatura del baño. 2.1.3 Quemador regenerativo Es un sistema compacto que consta de un par de quemadores que funcionan alternativamente de manera que cuando uno actúa como quemador el otro expulsa los gases de combustión. Cada quemador esta recubierto en su parte interior por material cerámico que primero recoge el calor de los humos de combustión y después lo entrega al aire para su precalentamiento. Quemador regenerativo Los quemadores regenerativos presentan ciertas ventajas frente a los quemadores convencionales, entre las que destacan: - Aumento del rendimiento, lo que conlleva un descenso del consumo de gas. - Evita accidentes debidos al sobrecalentamiento y la corrosión. - Tienen un diseño compacto. - El ahorro de combustible se ve menos afectado por la potencia nominal de funcionamiento. 94 Quemadores Del mismo modo, el empleo de estos quemadores tiene ciertos inconvenientes: - La emisión elevada de óxidos de nitrógeno. - No se pueden emplear para temperaturas de proceso superiores a 1.500 ºC Las aplicaciones principales de estos quemadores son: - Hornos de fusión de vidrio. - Hornos de forja, laminación y estampado. - Hornos de recalentamiento de materiales férreos. - Hornos de sinterización de acero. - Hornos de fusión de metales no férreos. - Hornos para tratamiento térmico del hierro y del acero. - Hornos de calcinación. 2.1.4 Quemador de doble recuperación En este quemador se produce la extracción máxima de calor de los humos mediante el calentamiento del aire de combustión en dos etapas. En la primera, el aire frío recupera parte de la energía térmica de los humos en un recuperador gas-gas. En la segunda, los gases de combustión llegan a una zona compuesta de cuatro tubos concéntricos donde rotan en sentido contrario al aire comburente. El aire entra en el espacio anular exterior y rodea el circuito de los gases hasta el tubo interior por donde circula el gas natural. Los quemadores de doble recuperación presentan ciertas ventajas frente a los quemadores convencionales, entre las que destacan: - Reducción del consumo de combustible debido a la mejora del rendimiento. - Simplicidad de construcción. - Las partes metálicas no están sometidas a temperaturas críticas. Recuperador de calor 95 5 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS No obstante, existen ciertos inconvenientes en la utilización de estos quemadores: - Están limitados a temperaturas de 600-1.400 ºC. - No son adecuados para procesos industriales en los que sean frecuentes las variaciones de temperatura. Las aplicaciones principales de estos quemadores son: - Hornos de forja y estampado. - Hornos de recalentar metales férreos. - Hornos de tratamiento térmico a llama directa. - Hornos de fusión de metales no férreos. - Hornos de calentamiento y secado de la industria cerámica. Ejemplo: Instalación de un recuperador de calor en un horno de tratamiento térmico. En una fundición se dispone de un horno de tratamiento térmico que consume gas natural. Se va a instalar un recuperador de calor para precalentar el aire comburente desde 20ºC hasta 300ºC. Las características del horno actual son: Temperatura salida humos: 1.000ºC Porcentaje de O2 en humos: 4 % Exceso de aire: 1,2 Calor aportado al carro, paredes y otros: 127,68 kW/t producto El calor útil transmitido a las piezas de acero del horno a 950ºC (temperatura de trabajo) es de 191,8 kW/t. Para realizar el balance en el horno con precalentamiento, se calcula el calor aportado al aire comburente al precalentarlo de 20ºC a 300ºC: El caudal de aire para un exceso de aire de 1,2 se obtiene de la Tabla 4, siendo de 16,12 kg/Nm3 de gas natural. 96 Quemadores El calor trasmitido al aire será: Precalentamiento = 300  20 º C ˜ 0,2579 kcal kg ˜ 16,12 = 1.164kcal/Nm3 3 kg ˜º C Nm A partir de estos datos se realiza el balance en el horno, con y sin recuperador, obteniendo el siguiente resultado: Balance sin recuperador: 97 5 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Balance con recuperador: Por lo tanto, al instalar el recuperador se reduce el consumo específico de gas natural, siendo el ahorro obtenido para una producción anual de 5.900 t/año: Ahorro = 704,83  548,42 kWh( PCI ) t 0,9 ˜ 5.900 t = 1.025.354 kWh(PCS)/año año Que equivalen a = 79 tep/año Se supone un precio de 2,2 c€/kWh(PCS) para el gas natural por lo que se tendrá un ahorro económico de: Ahorro económico = 1.025.354 kWh(PCS)/año · 0,022 €/kWh(PCS) = 22.558 €/año Ejemplo: Sustitución de quemadores por otros de alta velocidad En una empresa dedicada a la fabricación de vidrio, que posee un horno de temple directo de gas natural para su proceso, se propone sustituir los quemadores actuales de dicho horno por otros quemadores de alta velocidad. Situación actual: Exceso de aire: 1,53 Temperatura salida gases: 940ºC 98 Quemadores Quemadores alta velocidad: Exceso de aire: 1,15 Temperatura salida gases: 940ºC A partir de la tabla 12, se obtienen las pérdidas en los humos: Situación actual: Q Humos § · § kcal ·¸ 21,28 ¨ kg 3 ¸ ˜ 258,3 ¨ kg ¹ N m © © ¹ 5.497kcal/Nm3 gas natural Nuevos quemadores: Q Humos § · § kcal ·¸ 16,3 ¨ kg 3 ¸ ˜ 264,4 ¨ kg ¹ N m © © ¹ 4.310 kcal/Nm3 gas natural a) 950  940 274,1  X 940  925 X  266,3 X = 270,98 Kcal / kg b) 950  940 268,7  X 940  925 X  261,1 X = 265,66 Kcal / kg 99 5 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 950  940 267,3  X 940  925 X  259,7 X = 264.26 Kcal / kg 1,56  1.53 1,53  1,46 X = 265,24 Kcal / kg 265,66  X X  264,26 Por lo que el ahorro de energía porcentual es el siguiente: 1 9.000  5.497 9.000  4.310 25,3% Si el consumo actual es de 9.260.000 kWh(PCS)/año, se tendrá un ahorro de combustible de: Ahorro = 9.260.000 · 0,253 = 2.342.780 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 181 tep/año Se supone un precio de 2,4 c€/kWh(PCS) para el gas natural por lo que se tendrá un ahorro económico de: Ahorro económico = 2.342.780 kWh(PCS)/año · 0,024 €/kWh(PCS) = 56.227 €/año 2.1.5 Quemador de combustión sumergida Los quemadores de combustión sumergida son equipos de calentamiento directo de baños a baja temperatura. Los productos de la combustión del gas natural entran en contacto con el líquido a calentar por borboteo, de modo que ninguna pared limita el intercambio de calor. Cámara de combustión sumergida Los quemadores de combustión sumergida presentan ciertas ventajas frente a los quemadores convencionales, entre las que destacan: 100 Quemadores - Mejora del rendimiento que acarrea una disminución del consumo de gas. - Reducen los tiempos de calentamiento. - Bajas temperaturas de los humos. - La superficie de intercambio es muy grande, formada por las burbujas de los humos. Del mismo modo, el empleo de estos quemadores conlleva ciertos inconvenientes: - Existe una continua acidificación carbónica del agua. - La solubilidad de los óxidos de nitrógeno en el agua obliga a frecuentes renovaciones del líquido. 3. QUEMADORES DE FUELÓLEO El combustible (ya filtrado y en condiciones de temperatura y presión adecuadas para su atomización), es conducido desde el grupo de preparación hasta el quemador y sus tuberías de fachada. Quemador de fuelóleo Elementos del circuito de aire: - Registro: Su misión es proporcionar el aire de combustión con las condiciones de velocidad o turbulencia óptimas, para que en su encuentro con el combustible atomizado, lleguen ambos (aire y combustible) a la mezcla íntima requerida para una combustión lo más perfecta posible. - Difusor de aire: Su misión es conseguir un área de presión reducida de aire, en la zona central de la vena fluida de las inmediaciones del atomizador. - Tobera refractaria: Guarda una estrecha relación con la conformación y longitud de la llama. Su misión es también proporcionar una zona caliente alrededor de la llama para facilitar la combustión. 101 5 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Elementos del circuito del combustible: - Atomizador: Es una parte clave del quemador ya que debe realizar la atomización del combustible en la forma más similar a un combustible gaseoso. Cuanto más fina sea esa atomización más sencillo será obtener una combustión próxima a la estequiométrica. - Antorchas eléctricas de encendido: Constan de un electrodo montado sobre un tubo por cuyo interior penetra en combustible de ignición. Unas chispas de alta tensión producidas por un transformador inflaman el gas piloto o gasóleo que posteriormente se encarga de contagiar su llama al combustible principal. 3.1 Tipos de quemadores de fuelóleo Existen diversos tipos de quemadores para fuelóleo que se utilizan en calderas de vapor que se describen a continuación. 3.1.1 Quemador de tipo rotativo: El motor incorporado acciona el ventilador primario y la copa atomizadora que dan la configuración de la llama. El aire secundario o de combustión es aportado por otro ventilador independiente sobrepresionador (no incorporado al quemador), cuyo dimensionado será función de la caldera en particular sobre la que vaya a ser aplicado. Este quemador admite también la posibilidad de combustión de gas en el mismo conjunto. 3.1.2 Quemador de registro de aire: Son quemadores cuyo montaje es sobre cajón de aire. La cara anterior del cajón (o frontal del quemador) constituye el amarre del registro de aire, concéntrico al quemador. La misión del registro es proporcionar el aire de combustión con las condiciones de velocidad o turbulencia óptimas, para que la combustión sea lo más perfecta posible. Quemador de registro 102 6 CALEFACCIÓN DE NAVES INDICE CALEFACCIÓN DE NAVES 1.- SISTEMAS CONVENCIONALES DE CALEFACCIÓN DE UNA NAVE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105 2.- RENOVACIÓN DEL AIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 3.- BALANCE DE ENERGÍA DE UN EDIFICIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 4.- MEJORAS EN LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LOS SISTEMAS DE CALEFACCION DE NAVES Y EDIFICIOS INDUSTRIALES . . . . . . . . . . . .107 4.1.- Calefacción de naves aprovechando calores residuales diferentes del aire del edificio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107 4.2.- Calefacción de naves aprovechando el calor del edificio . . . . . .110 4.3.- Renovación del aire del edificio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113 4.4.- Aislamiento del edificio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114 CALEFACCIÓN... 6 Calefacción de naves 1. SISTEMAS CONVENCIONALES DE CALEFACCIÓN DE UNA NAVE El efecto de calefacción de una nave o edificio industrial se consigue principalmente de dos maneras: - Empleando aerotermos: Los aerotermos son una serie de ventiladores que obligan a pasar al aire a través de una batería que transporta vapor o agua caliente por dentro de unos tubos. De esta manera, el aire se calienta absorbiendo parte del calor que tiene el fluido que circula por los tubos. Aerotermo - Empleando paneles radiantes: Los paneles radiantes son unos tubos que transportan agua caliente o vapor. Debido a la temperatura que alcanzan los tubos, emiten calor por radiación. La radiación emitida hacia abajo va directamente a la nave mientras que la emitida hacia arriba se concentra en un panel que emitirá nuevamente hacia la nave ese calor recogido. Paneles radiantes Con cualquiera de estos dos métodos se consigue el calentamiento del aire de la nave que por diferencia de presiones tiende a establecerse siempre en la parte superior y se produce una estratificación de la temperatura. Habrá que intentar conseguir la mayor homogeneización para que el perfil de temperaturas sea lo menos variable posible. En el apartado de mejoras energéticas se describen otras alternativas de calefacción. 105 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 2. RENOVACIONES DEL AIRE Cuando se emplea un sistema simple de calefacción sin acondicionamiento de aire, es preciso renovar el aire en el interior del edificio sustituyéndolo por aire ambiente. Esto supone unas pérdidas de calor, correspondientes a la diferencia entre los calores sensibles del aire evacuado y del aire entrante. Por lo tanto, hay dos fuentes posibles de ahorro energético en el aspecto de la renovación del aire: - Evitar renovaciones excesivas y desiguales en el edificio. - Recuperar el calor del aire evacuado para cedérselo al entrante. 3.- BALANCE DE ENERGÍA EN UN EDIFICIO 106 Calefacción de naves 4.- MEJORAS EN LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LOS SISTEMAS DE CALEFACCIÓN DE NAVES Y EDIFICIOS INDUSTRIALES A continuación se nombran los diferentes sistemas de ahorro energético en calefacción de naves industriales. Se hace una diferenciación teniendo en cuenta si el calor utilizado para este fin es diferente del aire del edificio, o, si por el contrario, es el propio aire del edificio el que se emplea para la calefacción. Las medidas de ahorro energético que se van a considerar son: 2.1 Calefacción de naves aprovechando calores residuales diferentes del aire del edificio - Intercambiadores de calor - Bomba de calor 2.2 Calefacción de naves aprovechando el calor del aire del edificio - Método indirecto - Método directo 2.3 Renovación del aire del edificio 2.4 Aislamiento CALEFACCIÓN DE NAVES APROVECHANDO CALORES RESIDUALES DIFERENTES DEL AIRE DEL EDIFICIO La calefacción de los edificios industriales aprovechando calores residuales diferentes al aire del edificio se realiza de dos maneras: - Mediante intercambiadores de calor Es posible aprovechar el calor residual de fuentes como aguas calientes, gases calientes, etc., utilizando intercambiadores de calor para calentar el aire del edificio. Intercambiador de calor 107 6 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS En los Temas II y IV se han estudiado estas posibles formas de recuperación de calor de gases y de aguas calientes respectivamente, utilizando cambiadores de calor. Los diferentes tipos de intercambiadores son: - Sistema bi-transfer - Tubos térmicos - Regenerativos - Placas térmicas - Calentadores de aire con aguas residuales calientes - Condensadores de vapores residuales Ejemplo: Empleo del CRA de un motor para calefacción. Una planta industrial tiene un sistema de calefacción compuesto por aerotermos que utilizan el agua caliente generada en una caldera de gas natural para calentar el aire de los aerotermos. La caldera empleada tiene un consumo de 300.000 kWh(PCS)/año de gas natural y un rendimiento medio del 85%. Este sistema de calefacción funciona durante 1.200 horas al año. Esta planta industrial dispone de una instalación de cogeneración formada por dos motores alternativos y una turbina de vapor a condensación. Se ha decidido emplear el agua caliente del circuito de refrigeración de alta temperatura de los motores para calentar el aire de los aerotermos y de esta manera reducir el consumo de gas natural en la caldera. Se estima que de cada motor se pueden recuperar 200.000 kcal/h por lo que se tendrá una disposición de calor de: Q disponible = kcal h ⋅ 1.200 h ⋅ motor año = 558.140kWh/año kcal 860 kWh 2 motor ⋅ 200.000 La demanda de energía neta para calefacción es la siguiente: 300.000˜ 85% = 255.000 kWh/año Como se puede observar, con el calor recuperado de los circuitos de alta temperatura de los motores, se tendrá energía suficiente para satisfacer la demanda de agua caliente de los aerotermos. 108 Calefacción de naves El ahorro energético es el correspondiente al consumo de gas natural de la caldera: Ahorro energético = 300.000 kWh(PCS)/año Que equivalen a: 23,2 tep/año Se supone un precio de 2,3 c€/kWh(PCS) para el gas natural por lo que se tendrá un ahorro económico de: Ahorro económico = 300.000 kWh(PCS)/año · 0,023 €/kWh(PCS) = 6.900 €/año - Mediante bomba de calor El principio de funcionamiento es el mismo que utiliza un aparato frigorífico. Un refrigerador consigue enfriar un recinto ya que extrae calor del aire interior y lo cede al aire exterior, calentándolo. Bomba de calor reversible Si se invierte el funcionamiento del refrigerador, enfriando el aire exterior y calentando el interior, se obtiene una bomba de calor. Por esta razón, la mayoría de los aparatos son reversibles y permiten refrigerar en verano y calefactar en invierno. El coste de utilización es muy inferior al de un sistema convencional de aire acondicionado utilizando calefactores eléctricos. Ejemplo: Instalación de una bomba de calor En una fábrica se dispone de un calor residual de 16.000 kg/h de agua a 60ºC. Por otra parte, se tiene un caudal de 9.000 kg/h de agua fría a 20ºC. Mediante un intercambiador de calor entre ambos caudales se va a calentar el caudal de agua fría hasta 37,8ºC y enfriar el agua caliente hasta 50ºC. Se propone instalar una bomba de calor que tenga como focos frío y caliente el agua de los caudales mencionados a 37,8ºC y 50ºC respectivamente. En el foco frío se va a extraer calor hasta reducir su temperatura de 37,8ºC a 20ºC, de manera que el calor obtenido será: 109 6 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS QFF FF = (37,8 – 20)º C · 9.000 kg/h · 1 kcal/kg º C = 160.200 kcal/h = 186 kW Si el COP de la bomba de calor es de 4 (funcionamiento como enfriador), la potencia del compresor es de: Pcompresor = 186 / 4 = 46,5 kW El calor recuperado (cedido en el foco caliente) será equivalente al calor absorbido en el foco frío más el calor cedido por el compresor: QFC = 160.200 kcal/h + 39.990 kcal/h = 200.190 kcal/h El ahorro obtenido en esta propuesta será el consumo evitado de gas natural para generar 200.190 kcal/h en una caldera convencional menos el gasto de energía eléctrica en el compresor de la bomba. Suponiendo un rendimiento de una caldera de gas natural convencional del 79%, y un funcionamiento de 6.000 h/año, el ahorro obtenido en gas natural será: kcal h 200.190 ˜ 6.000 h año = 1.964.380 kWh(PCS)/año 0,79˜ 860˜ 0,9 Si el precio del gas natural es de 2,3 c€/kWh, y el coste de energía eléctrica es de 8 c€/kWh, el ahorro económico total obtenido es de: 1.964.380 kWh(PCS )⋅ 2,3 c€ h c€ − 46,5 kW ⋅ 6.000 ⋅8 kWh(PCS ) año kWh Ahorro económico = 22.861 €/año El ahorro energético total sería de: Ahorro energético = 152 tep tep (GN)– 70 (EE) = 82 tep/año año año CALEFACCIÓN DE NAVES APROVECHANDO EL CALOR DEL EDIFICIO La calefacción de los edificios industriales aprovechando el propio calor del edificio se realiza por uno de los siguientes métodos: - Método indirecto Este método emplea el calor del aire viciado de la nave para calentar el aire nuevo que entra en una renovación del mismo. 110 Calefacción de naves Los diferentes sistemas que existen para este objeto son: - Regeneradores rotativos: Consiste en una estructura rotativa encerrada en una carcasa. Debido a la rotación, la superficie que antes ha estado en contacto con el aire caliente viciado, cede su calor al aire puro. Este sistema es capaz de aumentar hasta en 15 ºC la temperatura del aire entrante en invierno y disminuirla entre 4 y 8 ºC en verano. Para que pueda funcionar es preciso que los conductos de entrada y salida del aire del edificio estén situados contiguos el uno al otro. - Sistema bi-transfer: Consiste en dos intercambiadores de calor, uno situado en la fuente caliente y el otro en la fría, conectados entre sí por una conducción y un equipo de regulación y bombeo. Por la conducción circula un fluido portador, que toma calor del aire viciado y lo cede al aire puro. Su eficiencia es inferior a la de los regeneradores rotativos. - Intercambiadores estáticos aire-aire: Suelen utilizar placas térmicas u otro tipo de superficies, por ejemplo, laminares o celulares. Dado que se puede tomar la superficie de intercambio tan grande como se quiera, permiten obtener buenos resultados. - Tubos térmicos aire-aire: Es el conjunto de dos tubos concéntricos sellados, de forma que el fluido que contiene en su interior no puede salir de él. - Bomba de calor: Se explica su funcionamiento en el apartado anterior. Ejemplo: Intercambiador estático aire - aire Se ha instalado un intercambiador de calor para precalentar el aire puro de entrada con el aire viciado de salida de una nave. El caudal de aire de entrada es igual al de salida. Las temperaturas del aire a la entrada y salida del intercambiador son las siguientes: Tª entrada - salida: Aire puro exterior: 5 - 8ºC Aire viciado de la nave: 24 - 21ºC El ahorro obtenido precalentando el aire exterior será, suponiendo un caudal de aire de 80.000 m3/h: 80.000 m3 kg kcal kcal 855 º ºCC ==67.737,6 ˜ 1,176 3 00,24 ˜˜8 67.737,6kcal/h kcal/h ,24 h kg kg˜º˜ºCC m 111 6 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Si se supone la producción de dicha energía en una caldera de gas natural, con un rendimiento del 83%, y un funcionamiento anual de 2.000 horas, el ahorro obtenido será: Ahorro energético = 210.883 kWh(PCS)/año Que equivalen a: 16,3 tep/año Se supone un precio de 2,5 c€/kWh(PCS) para el gas natural por lo que se tendrá un ahorro económico de: Ahorro económico = 5.272 €/año - Método directo Este método consiste en obtener la homogeneización del aire de la nave. Para ello se podrían utilizar una o varias de las soluciones siguientes: - Acoplar un tubo de aspiración al aerotermo para que tome aire de la parte superior donde la temperatura es más elevada (por ejemplo 35 ºC) con lo que disminuirá la cantidad de calor a aportar por el aerotermo. - A una altura adecuada (a estudiar según el tipo de nave), colocar ventiladores que vayan provistos de tubos verticales para obligar al aire a que descienda hasta el nivel del suelo. Con esta medida se consigue, además de eliminar la estratificación, disminuir, adicionalmente, el aporte calorífico del aerotermo. - Comparar económica y energéticamente la utilización de aerotermos y paneles radiantes. En principio, si la rentabilidad específica del proyecto lo aconseja, es conveniente utilizar paneles radiantes. - Caso de no sustituir los aerotermos por paneles radiantes, analizar aquellos energéticamente modificando las temperaturas del agua y el caudal de aire impulsado por el ventilador. Ejemplo: Coger el aire de aspiración de los aerotermos de zonas más calientes Una fábrica emplea aerotermos para la calefacción de las naves industriales. Estos aerotermos calientan el aire de la nave utilizando agua caliente procedente de una caldera de gas natural. El consumo de gas es de 350.000 kWh(PCS) al año. 112 Calefacción de naves Se ha decidido instalar un tubo en cada aerotermo de modo que éstos aspiran el aire de la parte superior de la nave, que está más caliente. De esta forma se hace necesario un menor aporte de agua caliente al aerotermo para calentar el aire de calefacción. Se estima que con esta medida se consigue ahorrar un 15 % en el consumo de gas natural, por lo que el ahorro energético será: Ahorro energético = 350.000 ⋅ 15 = 52.500 kWh(PCS)/año 100 Que equivalen a: 4,1 tep/año Se supone un precio de 2,7 c€/kWh(PCS) para el gas natural por lo que se tendrá un ahorro económico de: Ahorro económico = 1.417,5 €/año RENOVACIÓN DEL AIRE EN EL EDIFICIO Si la calefacción de la nave se realiza sin ningún tipo de acondicionamiento de aire es preciso renovar el aire viciado del interior por otro nuevo del exterior. Esta renovación del aire supone una pérdida de calor. Se encuentran dos posibles puntos de ahorro energético en la renovación del aire. - Ajustar el número de renovaciones del aire para evitar unas pérdidas excesivas. - Recuperar el calor del aire evacuado empleando el método indirecto visto anteriormente. Conducto de ventilación para la renovación del aire Ejemplo: Reducción del número de renovaciones de aire en una nave En una nave de 10.000 m3 se realizan actualmente 5 renovaciones de aire a la hora, para lo que se necesita un ventilador con una potencia de 33 kW, para circular una caudal de 833 m3 /minuto. 113 6 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Tras analizar la renovación de aire, se observa que con 4 renovaciones por hora es suficiente, por lo que se instala un nuevo ventilador de menor velocidad. Caudal de aire con 4 renovaciones por hora: 10.000 m3 4/60 = 667 m3 /minuto. El nuevo ventilador tiene una potencia de 18 kW para el caudal calculado. Si la fábrica trabaja durante 7.600 h/año, el ahorro obtenido es de: (33 − 18))kW ⋅ 7.600 h = 114.000kWh/año año Que equivalen a: 28,5 tep/año Para un precio de electricidad de 8 c€/kWh, el ahorro económico es: Ahorro económico = 114.000 kWh/año · 0,08 €/kWh = 9.120 €/año AISLAMIENTO DEL EDIFICIO El aislamiento térmico de naves y edificios industriales se realiza siguiendo las normas generales de aislamiento de superficies planas en baja temperatura. El aislamiento se aplicará en cubiertas, cerramientos y tal vez en soleras. Las pérdidas de calor por ventilación y la forma de recuperar este calor se han tratado anteriormente. Aislamiento térmico Ejemplo: Aislamiento de un edificio industrial. Una nave que alberga unos talleres para la fabricación de productos destinados a la industria, cuenta con un sistema de calefacción a base de aerotermos que emplean el agua caliente obtenida en una caldera de gas natural para calentar el aire de la nave. Este sistema de calefacción funciona durante 1.200 horas al año. Las condiciones ambientales en los meses de invierno para el emplazamiento de la nave son: - Temperatura media en el interior de la nave 18 ºC - Temperatura media en el exterior de la nave 7 ºC 114 Calefacción de naves - Temperatura media por debajo de la solera 11 ºC En estas condiciones se ha calculado que las pérdidas de calor a través de cubiertas, cerramientos y soleras son: Pérdidas de calor 750.000 kcal/h Con el fin de disminuir estas pérdidas se ha decidido sustituir la cubierta formada por chapa ondulada de zinc por cubierta aislada, a base de chapa de acero acanalada, galvanizada y precalada exteriormente, en un espesor de 0,7mm; e, interiormente, entre las alas inferiores de las correas, panel aislante de lana mineral con acabado de papel de aluminio hacia el interior de la nave, todo ello en un espesor de 55 mm. Gracias al nuevo aislamiento de la cubierta se han reducido las pérdidas de calor: Pérdidas de calor: 435.000 kcal/h Por lo tanto, el ahorro obtenido con esta medida es de: Ahorro: 315.000 kcal/h Se estima que el sistema de generación y el transporte del agua caliente empleada en los aerotermos tienen un rendimiento del 82%, por lo que el ahorro será: Ahorro = 315.000 = 384.146 kcal/h 0,82 384.146 = 496 kW(PCS) de GN 860 ⋅ 0,9 Teniendo en cuenta que el sistema de calefacción trabaja 1.200 hora anuales, el ahorro energético obtenido será: Ahorro energético: 595.200 kWh(PCS)/año Que equivalen a: 46 tep/año Considerando un precio del gas natural de 2,5 c€/kWh(PCS), el ahorro económico será: Ahorro económico: 14.880 €/año 115 6 7 APLICACIONES AVANZADAS DEL GAS NATURAL INDICE APLICACIONES AVANZADAS DEL GAS NATURAL 1.- HORNOS DE CALENTAMIENTO RÁPIDO DE METALES (RAPID HEATING) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119 2.- TUBOS RADIANTES RECUPERADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120 3.- TUBOS RADIANTES REGENERATIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122 4.- TUBOS SUMERGIDOS COMPACTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123 5.- INTERCAMBIADORES SUMERGIDOS COMPACTOS . . . . . . . . . . . . . . . . .125 6.- CALENTADOR DE AGUA DE CONTACTO DIRECTO . . . . . . . . . . . . . . . . .126 APLICACIONES... 7 Aplicaciones avanzadas del gas natural 1. HORNOS DE CALENTAMIENTO RÁPIDO DE METALES (RAPID HEATING) En este tipo de hornos se consigue reducir el consumo energético y el tiempo en el que el metal alcanza la temperatura requerida por el proceso. Estas mejoras se deben fundamentalmente a dos aspectos: - Empleo de quemadores de alta velocidad. - Diseño óptimo del horno en función del tamaño de la carga. Horno de calentamiento rápido Los quemadores de alta velocidad descargan los productos de la combustión a una velocidad elevada en el interior del horno, lo que hace que éstos cedan una importante cantidad de energía por unidad de volumen a la carga. Este sistema presenta ciertas ventajas frente a los hornos de calentamiento convencionales: - Mejora de la eficiencia energética. - Rápida puesta en temperatura del horno. - Control directo de la temperatura del producto. - Reducción de la oxidación y descarburación del metal. - Permite el diseño óptimo de la relación horno/carga. - Reduce los tiempos de calentamiento del producto. El mayor inconveniente de la implantación de este sistema es su coste que en ocasiones puede no verse justificado por el ahorro producido. La principal aplicación de este tipo de horno es el calentamiento de piezas para: 119 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS - Forjado - Prensado - Moldeado - Laminado - Estrusionado - Curvado Ejemplo: Sustitución de un horno de calentamiento convencional por un horno de calentamiento rápido. Una empresa del sector de automoción posee un horno de calentamiento de barras de acero hasta una temperatura de 1.000ºC. La eficiencia actual del horno es del 35 % y el consumo de gas natural asciende a 18.000.000 kWh(PCS)/año. Se va a sustituir el horno actual por uno nuevo de calentamiento rápido, de manera que se consigue un ahorro del 25% de combustible. Ahorro energético = 4.500.000 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 348 tep/año Para un precio de gas natural de 2,4 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 108.000 €/año 2. TUBOS RADIANTES RECUPERADORES Son unos equipos que aprovechan el calor de los gases de la combustión en forma de radiación. El aire de combustión se precalienta mediante la circulación en contracorriente de los productos de la combustión por el interior de un intercambiador gas-gas. Si el intercambiador está situado en la parte posterior del cabezal del quemador se denomina tubo radiante auto-recuperador. Si por el contrario, el intercambiador se sitúa fuera del quemador, se denominará tubo radiante con recuperación de calor exterior. Tubo radiante 120 Aplicaciones avanzadas del gas natural Este sistema presenta ciertas ventajas: - Mejora de la eficiencia energética. - Reducción de los tiempos de calentamiento. - Distribución uniforme de la temperatura. - Instalación y desmontaje sencillo. La vida útil de estos tubos ronda los 10 años por lo que será necesario disponer de un recambio, aspecto que aumenta el coste de la inversión. Los tubos radiantes tienen aplicación en distintos hornos de tratamiento térmico: - Hornos de cocción de decorados sobre vidrio. - Hornos de esmaltado. - Hornos de tratamiento térmico de metales bajo atmósfera controlada (temple, cementación y carbonitruración gaseosa, revenido, etc.). Ejemplo: Sustitución de termoblocks de calefacción por tubos radiantes con recuperador Una fábrica de componentes para automoción dispone de un sistema de calefacción formado por 4 termoblocks que consumen 1.800.000 kWh(PCS)/año de gas natural. El rendimiento de estos equipos es de 82,4%. Se va a sustituir los termoblocks actuales por un conjunto de tubos radiantes que consumen gas natural, dotados de recuperador de calor. El rendimiento de estos tubos radiantes es del 90,6 %, por lo que el ahorro obtenido es el siguiente: A= 90,6 − 82,4 ⋅ 100 = 9,05% 90,6 Por lo tanto, el ahorro energético es: Ahorro energético = 162.900 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 12,6 tep/año Para un precio de gas natural de 2,5 c€/kWh(PCS) se tiene un ahorro económico de: Ahorro económico = 4.073 €/año 121 7 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 3. TUBOS RADIANTES REGENERATIVOS El tubo radiante regenerativo es una síntesis entre el quemador regenerativo y un tubo metálico que transmite calor por radiación. Consta de una pareja de quemadores que funcionan alternativamente como quemador y eyector de los gases de combustión. Los gases circularán por el tubo metálico que emitirá calor. El empleo de tubos radiantes regenerativos tiene una serie de ventajas: - Mejora de la eficiencia energética. - Reduce los tiempos de calentamiento. - Distribución uniforme de la temperatura. - Funcionan de forma continua en un rango de temperaturas mayor que los tubos radiantes recuperadores. - Trabajan en depresión, por lo que la rotura del tubo no afectaría a la atmósfera del horno. La utilización de este tipo de dispositivos tiene el inconveniente de la vida de los tubos que se estima en unos 10 años, por lo que la necesidad de recambios aumentará el coste de la inversión. Las aplicaciones más habituales de estos equipos son: - Hornos de tratamiento térmico de metales férreos y no férreos. - Hornos de esmaltado. - Hornos continuos de temple y galvanizado. - Hornos túnel de recocido de vidrio. Ejemplo: Sustitución de quemadores convencionales por tubos radiantes regenerativos En una empresa de tratamiento térmico se dispone de un horno con quemadores convencionales (sin recuperador de calor), para calentar las piezas a una temperatura de 600ºC. Se van a sustituir los quemadores actuales por tubos radiantes regenerativos, de manera que el aire se precalienta hasta una temperatura de 542ºC. De esta manera la combustión es más eficaz, obteniendo un ahorro de consumo de combustible del 22%. 122 Aplicaciones avanzadas del gas natural El consumo de gas natural actual es de 1.500.000 kWh(PCS)/año, con lo que el ahorro obtenido será: Ahorro energético = 330.000 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 25,5 tep/año Suponiendo un precio de 2,3 c€/kWh(PCS) para el gas natural, el ahorro económico es: Ahorro económico = 7.590 €/año. 4. TUBOS SUMERGIDOS COMPACTOS Son unos equipos empleados para calentar baños industriales a baja temperatura aprovechando el calor de los gases de una combustión. Los productos de la combustión circulan a alta velocidad por el interior de un tubo de pequeño diámetro y transfieren una gran cantidad de calor al baño en el que se encuentra sumergido. Gracias a la elevada transferencia de calor se consiguen grandes rendimientos en el calentamiento. Mediante este sistema se obtienen ciertas ventajas: - Mejora de la eficiencia energética. - Reducción de los tiempos de calentamiento. - Baja temperatura de los humos de escape. - El rendimiento de la combustión es cercano al 100% sobre el PCI del combustible. El principal inconveniente de este sistema radica en la unión por soldadura entre los tubos, ya que un pequeño fallo en la unión de los mismos reduciría de manera significativa el buen funcionamiento de este sistema. Este sistema de calentamiento de baños se aplica en diversos sectores: - Industria metalúrgica y química - Industria textil y del papel - Industria agroalimentaria Ejemplo: Aplicación de los tubos sumergidos compactos Una industria emplea agua caliente generada en una caldera de gas natural para calentar unos baños a 70 ºC. Esta caldera presenta un rendimiento del 88% 123 7 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS y un consumo anual medio de 1.000.000 kWh(PCS) de gas natural. Esta industria trabaja durante 4.000 horas anuales. En la misma planta, se dispone de una instalación de cogeneración compuesta por dos motores de 5,1 MWe unitarios, una caldera de recuperación y una turbina de vapor a condensación. Se ha pensado en instalar unos tubos sumergidos compactos y utilizar los gases de escape de los motores para calentar los baños. Estos gases salen de la caldera de recuperación a 165 ºC y tras pasar por los tubos sumergidos su temperatura se reduce hasta los 140 ºC. El caudal de humos es de 28.000 kg/h por cada motor, por lo que el calor que se puede recuperar mediante los tubos es: Q recuperado == 2 motor ⋅ 28.000 kg kcal (165 − 140 )º C = 368.200 kcal/h ⋅ 0,263 h ⋅ motor kg ⋅º C Por lo tanto, la energía que se recupera mediante este sistema durante las 4.000 horas anuales es: 368.200 ˜ 4.000 = 1.712.558 kWh/año 860 La demanda neta para calentar los baños es de: 1.000.000˜ 88% = 880.000 kWh/año Por lo tanto, el calor de los gases de escape de los motores es suficiente para satisfacer la demanda energética de las cubas por lo que el ahorro energético que se produce al instalar este sistema de de tubos sumergidos es el equivalente al consumo gas de la caldera. Por tanto, el ahorro energético es: Ahorro energético = 1.000.000 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 77,4 tep/año Se supone un precio de 2,2 c€/kWh(PCS) para el gas natural por lo que se tendrá un ahorro económico de: Ahorro económico = 22.000 €/año 124 Aplicaciones avanzadas del gas natural 5. INTERCAMBIADORES SUMERGIDOS COMPACTOS Es un sistema de calentamiento indirecto de baños industriales a baja temperatura y alto rendimiento energético. Los gases de combustión que circulan por el interior del equipo transfieren el calor al baño en dos etapas. En la primera etapa se produce el intercambio de calor en la cámara de combustión. En esta etapa se transmite la mayor parte del calor generado en la combustión, aproximadamente un 80%. En la segunda etapa los gases circulan por la parte final del intercambiador transfiriendo el resto del calor al líquido. Existen dos versiones de estos intercambiadores: - Intercambiadores de paso quebrado. - Intercambiadores de chapas estampadas. El empleo de estos equipos proporciona una serie de ventajas: - Mejora de la eficiencia energética. - Reducción de los tiempos de calentamiento. - Baja temperatura de los humos. - Rendimiento de combustión cercano al 100% del PCI del combustible. - Espacio reducido de instalación. El principal inconveniente que puede presentar el intercambiador sumergido compacto estriba en el hecho de que para su buen funcionamiento y seguridad debe de permanecer constantemente por debajo del nivel del líquido a calentar. Las principales aplicaciones de estos equipos son: - Industria metalúrgica y química - Industria textil y del papel - Industria agroalimentaria Ejemplo: Aplicación de un intercambiador sumergido compacto. El proceso productivo de una planta industrial requiere agua caliente para mantener el calor en unas cubas. Esta agua caliente se genera en una caldera de gas natural con un rendimiento de 85%. El consumo medio anual de esta caldera es de 800.000 kWh(PCS). 125 7 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Se ha pensado en instalar un intercambiador sumergido que, debido a su alta eficiencia consigue transferir el 98% del calor generado a la cuba. El ahorro porcentual en el consumo de combustible es: A= 98 − 85 ⋅ 100 = 13,26 % 98 Es decir, el hecho de incorporar el intercambiador sumergido produce un ahorro energético de: Ahorro energético 106.080 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 8,2 tep/año Se supone un precio de 2,5 c€/kWh(PCS) para el gas natural por lo que se tendrá un ahorro económico de: Ahorro económico = 2.652 €/año 6. CALENTADOR DE AGUA DE CONTACTO DIRECTO Es un sistema de calentamiento de agua o soluciones acuosas neutras. El agua fría se alimenta por la parte superior del sistema a través de unos rociadores. El agua atraviesa una serie de bandejas perforadas por donde fluyen a contracorriente los gases de una combustión. De esta manera el agua se calienta hasta unos 60 ºC aproximadamente. Esta agua caliente se recoge en un depósito, que contiene un tubo sumergido compacto, donde se realiza una transferencia indirecta de calor. Con este sistema se pueden alcanzar temperaturas del líquido cercanas a 100 ºC a presión atmosférica. Calentador de agua de contacto directo Las principales ventajas que presenta este sistema son: - Mejora de la eficiencia energética. - Baja temperatura de escape de los humos. 126 Aplicaciones avanzadas del gas natural - Rendimiento de combustión superior al 100% del PCI del combustible. - Alta temperatura de proceso, cercana a 100 ºC. El mayor inconveniente es que el agua se vuelve más ácida debido al contacto directo con los humos de combustión. Este sistema se aplica principalmente en: - Industria química - Industria del metal Ejemplo: Aplicación de un calentador de agua de contacto directo. Una planta industrial posee una caldera de agua sobrecalentada de gas natural para producir agua a 120 ºC. Este agua se destina al satisfacer la demanda de calor de unas cubas en las que se mantiene agua a 95 ºC. Este sistema de mantenimiento de calor en las cubas tiene un rendimiento del 82 % y un consumo anual medio de 750.000 kWh(PCS). Se ha decidido sustituir este sistema de mantenimiento de calor en las cubas por un calentador de contacto directo. Estos calentadores aprovechan parte del calor de la condensación del agua contenida en los humos de la combustión por lo que se alcanza un rendimiento del 92% sobre el PCS, o lo que es lo mismo, un rendimiento del 102 % sobre el PCI del combustible. El ahorro porcentual en el consumo de combustible es: A= 102 − 82 ⋅ 100 = 19,6 % 102 Es decir, el hecho de incorporar el calentador de contacto directo produce un ahorro energético de: Ahorro energético 147.000 kWh(PCS)/año Que equivalen a = 11,4 tep/año Se supone un precio de 2,5 c€/kWh(PCS) para el gas natural por lo que se tendrá un ahorro económico de: Ahorro económico = 3.675 €/año 127 7 8 COGENERACIÓN INDICE COGENERACIÓN 1.- INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131 2.- COGENERACIÓN CON TURBINA DE GAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132 2.1.- Rendimiento en turbinas de gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132 2.2.- Combustión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133 2.3.- Instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134 2.4.- Esquema de la instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134 3.- COGENERACIÓN CON TURBINA DE VAPOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134 3.1.- Tipos de turbinas de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135 3.2.- Esquema de la instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136 4.- COGENERACIÓN CON MOTOR ALTERNATIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136 4.1.- Clasificación de motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137 4.2.- Rendimiento de un motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138 4.3.- Potencia de un motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138 4.4.- Ventajas del Gas Natural como combustible . . . . . . . . . . . . . .138 4.5.- Esquema de la instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139 5.- COMPARACIÓN DE LAS DIFERENTES ALTERNATIVAS DE COGENRACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139 6.- PROCEDIMIENTOS DE RECUPERACIÓN DE LA ENERGÍA CALORÍFICA EN LOS SISTEMAS DE COGENERACIÓN . . . . . . . . . . . . . . .140 6.1.- Turbina de Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140 6.2.- Motor alternativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141 7.- TRIGENERACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145 8.- MEJORAS DE EFICIENCIA ENERGÉTIA EN UNA INSTALACIÓN DE COGENERACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152 8.1.- Mejoras en cogeneración con motor alternativo . . . . . . . . . . . .152 8.2.- Mejoras en cogeneración con turbina de gas . . . . . . . . . . . . . .155 COGENERACION 8 Cogeneraciçon 1. INTRODUCCIÓN La cogeneración consiste en la producción simultánea de energía térmica útil y energía mecánica (normalmente empleada en la generación de energía eléctrica) partiendo del mismo combustible. Este partido que se obtiene del empleo de un único combustible se traduce en importantes índices de ahorro energético así como una reducción notable de la factura energética. Todo esto sin alterar el proceso productivo. Los sistemas de cogeneración se clasifican atendiendo a la máquina responsable de la generación eléctrica. De esta forma se tiene: = Cogeneración con Turbina de Gas = Cogeneración con Turbina de Vapor = Cogeneración con Motor Alternativo 131 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 2. COGENERACIÓN CON TURBINA DE GAS Una turbina de gas, como motor térmico, está compuesta por los siguientes elementos: - Compresor de aire - Cámara de combustión - Turbina de gas Turbina de gas El funcionamiento consiste en aspirar aire atmosférico y comprimirlo antes de la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible y se produce la combustión. Los humos de la combustión pasan a través de la turbina cuyo eje arrastra un alternador para la producción de energía eléctrica. Estos humos, una vez fuera de la turbina, conservan una importante energía que puede emplearse en algún aprovechamiento térmico como la producción de vapor o el calentamiento de agua. 2.1. Rendimiento en turbinas de gas El rendimiento eléctrico de una turbina de gas aumenta con la potencia de la misma. En función de la potencia, las turbinas de gas se clasifican en: < 1 MW η el = 22-27% Turbina pequeñas 1-15 MW η el = 27-33% - Turbina medianas 15-35 MW η el = 32-38% - Turbina grandes > 35 MW η el = 38-42% - Microturbinas de gas - Diversos factores influyen en el rendimiento de la turbina de gas, entre los que destacan: 132 Cogeneración - La temperatura del aire de aspiración: Cuanto más alta sea la temperatura del aire de aspiración mayor será el trabajo que debe realizar el compresor por lo que el rendimiento de la instalación disminuye. - La altitud: La disminución de la presión atmosférica con la altitud se traduce en una potencia más baja. Esta disminución de la presión también hace que el consumo de combustible sea menor por lo que el rendimiento de la turbina de gas no se verá muy alterado. - Las pérdidas de carga en la admisión del aire y en la salida de los gases de escape. - El régimen de funcionamiento de la turbina de gas: En una turbina monoeje, el rendimiento disminuye con el índice de carga. 2.2. Combustión Las turbinas de gas funcionan con un elevado exceso de aire, para que la temperatura de los productos de combustión al incidir en los álabes no sea excesiva y no se produzcan problemas de corrosión o fatiga en los mismos, y mantener los efectos derivados de la deformación plástica dentro de los límites aceptables. Las turbinas de gas pueden utilizar dos tipos de combustibles: - Gaseosos: gas natural, propano. - Líquidos: gasóleo, gasolinas. Ventajas del Gas Natural: - Combustión libre de partículas e impurezas sólidas para evitar cualquier tipo de erosiones en los álabes de la turbina. - La ausencia de azufre en la composición del combustible permitirá un nivel de recuperación del calor contenido en los gases de escape superior al que puede conseguirse con otros combustibles. - Posibilidad de empleo del mismo en post-combustión. La post-combustión, como se verá más adelante, tiene por objeto elevar la temperatura de los gases de escape de la turbina, utilizando como comburente los mismos gases, para , de esta forma, mejorar el rendimiento. 133 8 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 2.3. Instalación Para mejores prestaciones en las turbinas de gas, se recomienda: - La admisión del aire debe situarse en el punto más frío posible, para que el rendimiento sea lo más alto posible. - Las pérdidas de carga en la admisión deberán ser lo más reducidas posible, por la influencia que tienen en el rendimiento de la turbina. - La turbina de gas deberá situarse en el punto más próximo posible al punto o puntos de utilización de la energía calorífica. 2.4. Esquema de la instalación Instalación de cogeneración con turbina de gas y post-combustión. 3. COGENERACIÓN CON TURBINA DE VAPOR La turbina de vapor, como motor térmico, consta de los siguientes elementos: Turbina de vapor - Sistema de bombeo - Caldera de vapor - Turbina de vapor - Condensador (si se trata de una turbina de vapor a condensación) 134 Cogeneración Como máquina térmica, la turbina de vapor es más simple que la turbina de gas, aunque si se tienen en cuenta el resto de elementos que componen la instalación (caldera, condensador, sistema de bombeo…) convierten a la turbina de vapor en más compleja. La cogeneración con turbina de vapor consiste en expandir el vapor procedente de una caldera y aprovechar el vapor de salida de la turbina, o el obtenido por medio de extracciones para el proceso u otros usos. 3.1. Tipos de turbinas de vapor - Turbina de vapor a condensación. El vapor se expande en la turbina hasta una presión que está por debajo de la atmosférica. Este vapor se condensa y se bombea de nuevo a la caldera. El aprovechamiento térmico de esta instalación es muy bajo. - Turbina de vapor a contrapresión. El vapor de salida de la turbina se encuentra por encima de la presión atmosférica y es susceptible de ser aprovechado, bien directamente en proceso o bien indirectamente en un intercambiador para transferir su energía térmica a otro fluido. - Turbina de vapor con extracciones. En estas instalaciones se realizan extracciones de vapor directamente de la turbina mientras se realiza la expansión. Estas turbinas pueden ser a contrapresión o a condensación. Estas instalaciones se utilizan cuando se requiere vapor a diferentes presiones. 135 8 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 3.2 Esquema de la instalación Instalación de cogeneración con turbina de vapor a contrapresión. 4. COGENERACIÓN CON MOTOR ALTERNATIVO Los componentes principales de un motor alternativo son: - Conjunto cilindro-pistón - Conjunto biela-manivela Cogeneración con motor alternativo El ciclo del fluido que atraviesa el motor tiene cuatro fases: - Llenado del cilindro por el fluido - Compresión del fluido - Combustión - Salida de los gases 136 Cogeneración La expansión de los gases de la combustión que se produce en el interior del cilindro acciona el pistón. El movimiento alternativo del pistón se traduce en un movimiento rotativo gracias al mecanismo biela-manivela. La cogeneración con motor alternativo consiste en emplear el movimiento de rotación del motor para generar energía eléctrica en un alternador. El aprovechamiento térmico en esta instalación viene de utilizar los gases de escape para la producción de vapor en una caldera de recuperación. Asimismo se puede aprovechar el calor del circuito de refrigeración de los motores para producir agua caliente. 4.1. Clasificación de motores Los motores alternativos pueden clasificarse atendiendo a varios criterios: i) Atendiendo al tipo de encendido: - Motor de encendido provocado. La compresión se realiza sobre la mezcla combustible-aire y el encendido es por una chispa eléctrica. - Motor de encendido por compresión: la compresión se realiza sobre el aire de combustión hasta que alcanza la temperatura de autoinflamación de parte del combustible. ii) Atendiendo al ciclo del motor: - Motor de cuatro tiempos. El ciclo del fluido se realiza en cuatro carreras del pistón. - Motor de dos tiempos. El ciclo del fluido se realiza en dos carreras del pistón. 137 8 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS iii) Atendiendo a la presión de admisión del fluido: - Sobrealimentados. - Atmosféricos iv) Atendiendo al número de revoluciones: - Motores rápidos de 1.500-3.000 rpm. Son motores de baja potencia, hasta 3MW. - Motores de 1.000 rpm. Generan una potencia de 2,5-4 MW. - Motores lentos de 750 rpm. Son los más potentes, desarrollando una potencia comprendida entre 4 y 9 MW. 4.2. Rendimiento de un motor El rendimiento de un motor alternativo depende de varios factores: - Rendimiento termodinámico, que aumenta con la relación de compresión. - Rendimiento mecánico del motor, que es la relación entre el trabajo disponible en el eje y el trabajo desarrollado por el fluido en el interior de los cilindros. - Pérdidas de carga, pérdidas de calor por las paredes del motor y la duración de la combustión. 4.3. Potencia de un motor A su vez, la potencia del motor alternativo depende de: - El consumo de combustible por unidad de tiempo. - El exceso de aire en la combustión. Cuanto menor sea, mayor será la potencia desarrollada. - El que sea sobrealimentado o no. Los motores sobrealimentados generan mayor potencia. - El poder calorífico del combustible. Cuanto mayor sea éste, mayor será la potencia del motor. 4.4. Ventajas del Gas Natural como combustible - El precio por unidad de energía calorífica consumida es considerablemente menor para el gas natural que para otros combustibles. 138 Cogeneración - Los costes de mantenimiento son entre un 10 y un 30% más elevados en los motores diesel tradicionales que en los motores a gas de la misma potencia. - El empleo de un combustible limpio como el gas natural, evita el deterioro de cilindros y alarga la vida del motor. 4.5. Esquema de la instalación Esquema de una instalación de cogeneración con motor alternativo: 5. COMPARACIÓN DE LAS DIFERENTES ALTERNATIVAS DE COGENERACIÓN Ventajas y desventajas de cada una de las alternativas: 139 8 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Ahorro de energía primaría que se obtiene por cada tipo de instalación: 6. PROCEDIMIENTOS DE RECUPERACIÓN DE LA ENERGÍA CALORÍFICA EN LOS SISTEMAS DE COGENERACIÓN 6.1. Turbina de Gas La única fuente de calor recuperable en la turbina de gas es por tanto los gases de escape, que tienen un nivel de temperaturas relativamente bajo (420 - 650ºC), una proporción de oxígeno alta (14 - 17%) y un contenido de partículas contaminantes prácticamente nulo. Con estas características las posibles aplicaciones que pueden obtenerse son: = Recuperación Directa: En procesos de secado y atomización que requieran bajas temperaturas y unos productos de combustión sin contaminantes. Algunas de las posibles aplicaciones en uso directo de los gases de escape de una turbina de gas. - Atomizado de arcillas - Atomizado de leche 140 Cogeneración - Atomizado de productos químicos - Secado de placas de yeso - Secado de tableros de madera - Deshidratado de alfalfa, productos agrícolas y alimenticios - Hornos de destensionado y de recalentamiento = Recuperación Indirecta Los gases de escape ceden su calor a otros fluidos a través de intercambiadores de calor: = Generación de vapor Aprovechando el calor de los gases de escape se puede generar vapor en una caldera de recuperación. Este vapor podrá ser aprovechado de diferentes maneras: - En el proceso productivo. - Expansión en turbina de vapor (ciclo combinado). - Calentamiento de fluidos. 6.2. Motor alternativo - Recuperación del calor de los humos de combustión. Debido a la elevada carga térmica de los humos de combustión, puede realizarse un aprovechamiento de este calor para generar vapor en una caldera de recuperación. Este vapor puede tener, después, diferentes usos: - Proceso productivo - Expansión en turbina de vapor - Calentamiento de fluidos - Aprovechamiento térmico del agua caliente del circuito de refrigeración. Mediante un intercambiador de calor, puede recuperarse la energía que transporta el circuito de refrigeración del motor para obtener, por ejemplo, agua caliente que será empleada en otros usos, como: - Agua caliente sanitaria. - Agua caliente para la producción de frío en una máquina de absorción. 141 8 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Ejemplo: Instalación de cogeneración en una fábrica de fibras textiles, formada por un ciclo combinado de 2 MOTORES ALTERNATIVOS Y TURBINA DE VAPOR 1. Consumo de la fábrica y factura energética (sin cogeneración) La fábrica tenía un consumo de gas natural destinado a la generación de vapor y agua caliente para su proceso productivo. Por otra parte, consumía también energía eléctrica en calderas, producción de agua fría, iluminación y accionamientos diversos. Consumo de gas natural: 37.700.000 kWh(PCS)/año Consumo energía eléctrica: 27.300.000 kWh/año Factura Energética actual: - Gas Natural: (2,322 c€/kWh) 875.394 €/año - Energía Eléctrica: (6,3117 c€/kWh) 1.723.094 €/año - Mantenimiento Calderas: 12.000 €/año TOTAL= 2.610.488 €/año 2. Descripción de la cogeneración En esta fábrica se ha instalado una planta de cogeneración, compuesta por dos motores alternativos a gas natural de 5,1 MW y turbina de vapor a condensación de 269 kW, limitando su potencia para inscribir la instalación de cogeneración dentro del grupo de potencia instalada menor o igual a 10 MW. Los gases de escape de los motores son conducidos a una caldera de vapor mixta para la producción de 6,4 t/h de vapor saturado a 8 kg/cm2 (a). Este vapor es utilizado para cubrir las demandas térmicas del proceso productivo y del desgasificador de la planta de cogeneración (4,5 t/h), siendo el resto (1,9 t/h) enviado a la turbina de vapor a condensación. Cuando uno de los motores no se encuentra en funcionamiento y hay demanda de vapor en el proceso productivo, la caldera mixta consume gas natural para generar el caudal de vapor necesario. La energía del circuito de refrigeración de alta temperatura de los motores se utiliza para generar: - 216 m3/h de agua caliente a 90ºC que se emplea en el proceso productivo. - Agua fría mediante una máquina de absorción. 142 Cogeneración La energía no utilizada se evacúa mediante aerorrefrigerador. La energía del circuito de refrigeración de baja temperatura de los motores se disipa íntegramente mediante torres de refrigeración. 3. Balance de Gas Natural y Energía Eléctrica El consumo de gas natural en la cogeneración será el siguiente: Motores: 203.686.000 kWh(PCS)/año Caldera Mixta: 1.445.000 kWh(PCS)/año TOTAL: 205.131.000 kWh(PCS)/año Energía eléctrica generada en la cogeneración: Motores: 82.492.500 kWh/año Turbina de Vapor: 1.248.400 kWh/año TOTAL: 83.740.900 kWh/año El balance de energía eléctrica en la cogeneración es el siguiente. Al consumo en proceso se le ha descontado el consumo de los grupos de frío, ya que ahora se emplea la máquina de absorción para producir frío. Energía Eléctrica Generada: 83.740.900 kWh/año Auxiliares cogeneración: (3%) 2.512.227 kWh/año Exportada a la red: 81.228.673 kWh/año Compra consumo futuro proceso: 26.439.850 kWh/año 4. Cálculo de Rendimiento Eléctrico Equivalente (REE) El Rendimiento Eléctrico Equivalente de la instalación de cogeneración, bajo el R. D. 661/2007 sería el siguiente: E: Electricidad generada: 83.740.900 kWh/año Q: Consumo de gas natural: 184.617.900 kWh/año V: Energía térmica útil recuperada: 37.982.000 kWh/año - Vapor: 27.432.000 kWh/año - Agua caliente: 4.958.000 kWh/año - Agua Fría: 5.592.000 kWh/año R.E.E. = 83.740.900 ⋅ 100 = 58,8% > 55% 37.982.000 184.617.900 − 0,9 143 8 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 5. Cálculo del Precio de Venta de los Excedentes Eléctricos El precio de exportación de los excedentes eléctricos, según el RD 661/2007, exportando a precio fijo es: - Precio Fijo: 7,7200 c€/kWh - Compl. Reactiva: 6% · 7,8441 = 0,4706 c€/kWh - Compl. Eficiencia Energética: (1/0,55 - 1/0,588) · 1,1 · 1,997 = 0,2581 c€/kWh - Desvíos de Potencia: -0,0300 c€/kWh - PRECIO DE VENTA: 8,4187 c€/kWh 6. Factura Energética con la cogeneración: INGRESOS - Venta excedentes eléctricos: (8,4187 c€/kWh) 6.838.398 €/año GASTOS - Compra energía eléctrica proceso:(6,3117 c€/kWh) 1.668.804 €/año - Gas Natural: (2,1744 c€/kWh) 4.460.368 €/año - Mantenimiento Motores (aceite incluido): 565.899 €/año - Mantenimiento Turbina de Vapor: 10.000 €/año - Otros Mantenimientos: 34.800 €/año - Otros gastos (personal de operación, agua, seguros, agente de mercado, etc.): 452.000 €/año TOTAL GASTOS: 7.191.871 €/año FACTURA ENERGÉTICA (Gastos - Ingresos): 353.473 €/año 7. Inversión y Tiempo de Retorno Simple El ahorro obtenido mediante la instalación de la cogeneración es de: Factura energética sin cogeneración: 2.610.488 €/año Factura con la cogeneración: 353.473 €/año AHORRO COGENERACIÓN: 2.257.015 €/año INVERSIÓN: 7.300.000 € T.R.S.: 3,2 años 144 Cogeneración 7. TRIGENERACIÓN La trigeneración es la producción simultánea de energía mecánica (normalmente empleado en la producción de energía eléctrica), de energía térmica útil y de frío a partir de un único combustible. La trigeneración no disminuye la demanda de energía de un proceso industrial o un edificio, sino la cantidad de energía primaria necesaria para satisfacerla. Para obtener una instalación de trigeneración bastará con añadir un elemento generador de frío a una plana de cogeneración. Para la producción de frío se emplean máquinas de absorción que debido a su bajo COP sólo se justifican para las situaciones en las que la demanda de frío es importante a lo largo del año. Ejemplo: Instalación de cogeneración en una fábrica de helados, formada por un ciclo combinado de 1 MOTOR ALTERNATIVO DE 8,8 MW Y TURBINA DE VAPOR 1. Consumo de la fábrica y factura energética (sin cogeneración) En la actualidad, la fábrica de helados demanda en su proceso productivo energía eléctrica y fuelóleo, que se utiliza en una caldera de vapor para cubrir las necesidades de vapor, agua caliente y calefacción del proceso productivo. El consumo anual de la energía eléctrica y el fuelóleo es el siguiente: Consumo de fuelóleo:1.266 t/año Consumo energía eléctrica: 25.794.539 kWh/año Factura Energética actual: - Fuelóleo: (330 €/t) 417.780 €/año - Energía Eléctrica: (6,3117 c€/kWh) 1.628.074 €/año 145 8 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS - Otros: 190.000 €/año - Mantenimiento - Seguros - Gastos de Operación TOTAL: 2.235.854 €/año 2. Descripción de la cogeneración La planta de cogeneración propuesta estaría basada en un ciclo combinado formado un motor alternativo de gas natural de 8.800 kW eléctricos unitarios y una turbina de vapor a condensación de 785 kWe. Los gases de escape del motor serían conducidos a una caldera de recuperación de calor para la producción de vapor sobrecalentado a 16 bar(a) y 325ºC, que sería conducido a una turbina de vapor de doble etapa. La primera etapa de la turbina de vapor accionaría un generador eléctrico y el segundo cuerpo accionaría solidariamente un generador eléctrico y un compresor de amoniaco de 448,5 kW eléctricos para la generación de frío. Así mismo, se barajaría la posibilidad de instalar un banco de hielo. Entre las dos etapas de la turbina de vapor se realizaría una extracción de vapor a 2,5 bar (a) para: - Cubrir las demandas térmicas del proceso productivo. - Cubrir la demanda térmica de la calefacción. - Cubrir las demandas térmicas del desgasificador. El circuito de refrigeración de alta temperatura del motor (C.R.A.) sería utilizado para: - Precalentar hasta 88ºC los condensados de la turbina de vapor antes de su aporte al desgasificador. - Cubrir la demanda de agua caliente del proceso productivo. - Cubrir la demanda térmica de una máquina de absorción de BrLi/H2O que sería utilizada para subenfriar el NH3 de los grupos de frío a -10ºC y el agua de refrigeración del condensador de la turbina de vapor a la salida de la torre de refrigeración El calor del C.R.A. no utilizado en ninguno de los usos anteriores sería evacuado mediante un aerorrefrigerador. 146 Cogeneración El calor del circuito de refrigeración de baja temperatura del motor (C.R.B.) sería evacuado mediante una torre de refrigeración. 3. Balance de Gas Natural y Energía Eléctrica El consumo de gas natural en la cogeneración será el siguiente: Consumo de gas natural: 162.231.696 kWh(PCI)/año Energía eléctrica generada en la cogeneración: Energía Eléctrica generada: 73.564.378 kWh/año Debido a la máquina de absorción y el compresor de amoniaco acoplado al eje de la turbina, se produce un ahorro en el consumo eléctrico para generación de frío en el proceso, que equivale a 4.216.122 kWh/año, por lo que la nueva demanda eléctrica para la producción de frío y consumo de fábrica es de 21.578.417 kWh/año. El balance de energía eléctrica en la cogeneración es el siguiente: Energía Eléctrica Generada: 73.564.378 kWh/año Auxiliares: 2.942.575 kWh/año Exportada a la red: 70.621.803 kWh/año Consumo futuro de fábrica: 21.578.417 kWh/año 4. Cálculo de Rendimiento Eléctrico Equivalente (REE) El Rendimiento Eléctrico Equivalente de la instalación de cogeneración, bajo el R. D. 661/2007 sería el siguiente: E: Electricidad generada: 73.564.378 kWh/año Q: Consumo de gas natural: 162.231.696 kWh/año V: Energía térmica útil recuperada: 33.865.000 kWh/año - Vapor: 4.087.000 kWh/año - Agua caliente: 8.395.000 kWh/año - Agua Fría: 21.383.000 kWh/año R.E.E. 83.740.900 ˜ 100 37.982.000 184.617.900 0,9 147 58,8% > 55% 8 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 5. Cálculo del Precio de Venta de los Excedentes Eléctricos El precio de exportación de los excedentes eléctricos, según el RD 661/2007, exportando a precio fijo es: - Precio Fijo: 7,7200 c€/kWh - Compl. Reactiva: 6% · 7,8441 = 0,4706 c€/kWh - Compl. Eficiencia Energética: (1/0,55 - 1/0,59) · 1,1 · 1,997 = 0,2708 c€/kWh - Desvíos de Potencia: -0,0300 c€/kWh - PRECIO DE VENTA: 8,4314 c€/kWh 6. Factura energética con cogeneración INGRESOS Venta de Excedentes Eléctricos: (8,4314 cent €/kWh) 5.954.407 €/año GASTOS 1. Compra Energía Eléctrica Proceso: (6,3117 cent €/kWh) 1.361.965 €/año 2. Compra de Gas Natural (2,10 cent €/kWh(PCS)): 3.785.406 €/año 3. Mantenimiento del Motor (aceite incluido): 489.355 €/año 4. Mantenimiento Turbina de Vapor: 12.000 €/año 5. Otros Mantenimientos: 90.000 €/año 6. Seguros: 130.000 €/año 7. Agua Torres: 60.500 €/año 8. Gastos de Operación: 380.000 €/año 9. Operador de Mercado y Gestión Energética: 48.000 €/año 10. Administración y Gastos Generales: 71.500 €/año TOTAL GASTOS: 6.428.726 €/año FACTURA ENERGÉTICA (Gastos - Ingresos): 474.319 €/año 7. Inversión y Tiempo de Retorno Simple El ahorro obtenido mediante la instalación de la cogeneración es de: Factura energética sin cogeneración: 2.235.854 €/año Factura con la cogeneración: 474.319 €/año 148 Cogeneración AHORRO COGENERACIÓN: 1.761.535 €/año INVERSIÓN: 7.150.000 € T.R.S.: 4,1 años Ejemplo: Remodelación de una instalación de cogeneración en una empresa de fabricación de celulosa. 1. Consumo de la fábrica y factura energética (con cogeneración antigua) La fábrica disponía de una instalación de cogeneración compuesta por 4 turbinas de gas natural de 1,1 MW cada una. Los gases de escape de las turbinas de gas eran utilizados para cubrir parcialmente la demanda de 7 secaderos, cuya demanda de gases caliente era completada mediante quemadores de gas natural en vena de aire. Esta instalación de cogeneración tenía más de 15 años, por lo que las primas e incentivos del régimen especial eran muy bajos. Las demandas de energía primaria de la fábrica eran: Consumo de gas natural: 160.908.224 kWh(PCS)/año Compra de energía eléctrica: 24.322.607 kWh/año Venta de energía eléctrica: 31.639.540 kWh/año La Factura Energética con la cogeneración antigua es la siguiente: INGRESOS Venta de Excedentes Eléctricos: (7,7168 cent €/kWh) 2.441.560 €/año GASTOS 1. Compra Energía Eléctrica Proceso: (7,9687 cent €/kWh) 1.938.207 €/año 2. Compra de Gas Natural: (2,0552 cent €/kWh(PCS)) 3.307.037 €/año 3. Mantenimiento Turbinas de Gas: 337.818 €/año 4. Aceite: 5.640 €/año 5. Otros Mantenimientos, personal, fungibles, etc.: 49.837 €/año TOTAL GASTOS: 5.638.539 €/año FACTURA ENERGÉTICA (Gastos - Ingresos): 3.196.979 €/año 149 8 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 2. Descripción de la nueva cogeneración En esta fábrica se ha instalado una planta de cogeneración, compuesta por dos motores alternativos a gas natural de 5,1 MW, limitando su potencia para poder inscribir la cogeneración dentro del grupo de potencia instalada menor o igual a 10 MW. Los gases de escape de los motores son conducidos a los secaderos, tal y como se hace en la actualidad con los gases de escape de las turbinas de gas. La energía del circuito de refrigeración de alta temperatura de los motores se utiliza para calentar hasta 60ºC el agua que se capta del río y se utiliza en el proceso de formación de la pasta de celulosa. La energía del circuito de refrigeración de baja temperatura de los motores se disipa íntegramente mediante torres de refrigeración. 3. Balance de Gas Natural y Energía Eléctrica El consumo de gas natural con la cogeneración será el siguiente: Motores: 207.746.044 kWh(PCS)/año Proceso Productivo: 60.568.677 kWh(PCS)/año TOTAL: 268.314.721 kWh(PCS)/año Energía eléctrica generada en la cogeneración: TOTAL: 82.810.880 kWh/año El balance de energía eléctrica con la cogeneración es el siguiente: Energía Eléctrica Generada: 82.810.880 kWh/año Auxiliares cogeneración (2,5%): 2.070.272 kWh/año Exportada a la red: 80.740.608 kWh/año Compra para proceso productivo: 24.322.607 kWh/año 4. Cálculo de Rendimiento Eléctrico Equivalente (REE) El Rendimiento Eléctrico Equivalente de la instalación de cogeneración, bajo el R. D. 661/2007 sería el siguiente: E: Electricidad generada: 82.810.880 kWh/año Q: Consumo de gas natural: 186.971.440 kWh/año V: Energía térmica útil recuperada: 72.010.033 kWh/año - Gases de Escape: 58.469.010 kWh/año 150 Cogeneración - Agua caliente: 13.541.023 kWh/año R.E.E. 82.810.880 ˜ 100 72.010.033 186.971.440 0,9 77,4% > 55% 5. Cálculo del Precio de Venta de los Excedentes Eléctricos El precio de exportación de los excedentes eléctricos, según el RD 661/2007, exportando a precio fijo es: - Precio Fijo: 7,7200 c€/kWh - Compl. Reactiva: 6% · 7,8441 = 0,4706 c€/kWh - Compl. Eficiencia Energética: (1/0,55 - 1/0,774) · 1,1 · 1,997 = 1,1559 c€/kWh - Desvíos de Potencia: -0,0300 c€/kWh - PRECIO DE VENTA: 9,3165 c€/kWh 6. Factura energética con cogeneración INGRESOS Venta de Excedentes Eléctricos: (9,3165 cent €/kWh)7.522.199 €/año GASTOS 1. Compra Energía Eléctrica Proceso: (7,9687 cent €/kWh) 1.938.207 €/año 2. Compra de Gas Natural (2,0552 cent €/kWh(PCS)): 5.514.404 €/año 3. Mantenimiento de los Motores (aceite incluido): 579.676 €/año 4. Otros Mantenimientos: 90.000 €/año 5. Incremento de Seguros: 60.000 €/año 6. Agua Torres: 20.000 €/año 7. Incremento de Otros Mantenimientos, personal, fungibles, etc.: 63.000 €/año TOTAL GASTOS: 8.265.287 €/año FACTURA ENERGÉTICA (Gastos - Ingresos): 743.088 €/año 151 8 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 7. Inversión y Tiempo de Retorno Simple El ahorro obtenido mediante la instalación de la cogeneración es de: Factura energética con cogeneración antigua: 3.196.979 €/año Factura energética con cogeneración nueva: 743.088 €/año AHORRO NUEVA COGENERACIÓN: 2.453.891 €/año INVERSIÓN: 7.100.000 € T.R.S.: 2,9 años 8. MEJORAS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN UNA INSTALACIÓN DE COGENERACIÓN Las medidas de ahorro energético que se van a considerar son: 3.1 Mejoras en cogeneración con motor alternativo a) Aprovechamiento térmico del agua caliente del circuito de refrigeración. i. Agua caliente sanitaria ii. Máquina de absorción 3.2 Mejoras en cogeneración con turbina de gas a) Recuperación del calor de los gases de escape de la turbina. i. Instalar un post-economizador ii.Post-combustión b) Enfriamiento del aire de aspiración. c) Situar la turbina de gas lo más cerca posible del punto de utilización de los gases. 8.1 MEJORAS EN COGENERACIÓN CON MOTOR ALTERNATIVO A. Aprovechamiento térmico del agua caliente del circuito de refrigeración Mediante un intercambiador de calor, puede recuperarse la energía que transporta el circuito de refrigeración del motor para obtener, por ejemplo, agua caliente que será empleada en otros usos, como: 152 Cogeneración - Agua caliente sanitaria. - Agua caliente para la producción de frío en una máquina de absorción. Ejemplo: Aprovechamiento del CRA para precalentar los condensados antes de la entrada en el desgasificador. En una fundición se ha instalado una cogeneración formada por 5 motores alternativos de 1.365 kWe y turbina de vapor a condensación de 805 kWe. La turbina de vapor consta de 2 cuerpos, de manera que en la etapa intermedia se realiza una extracción de vapor a 1,5 bar para introducirlo en el desgasificador. Los condensados de la turbina a 0,08 bar y 40ºC, se introducen en el desgasificador para posteriormente retornar a la caldera de recuperación. Mediante el CRA de los motores se van a precalentar los condensados, de manera que entren al desgasificador a 86ºC (en lugar de a 40ºC). El ahorro obtenido será el caudal de vapor de extracción intermedia de la turbina que se evita introducir al desgasificador, dando como consecuencia una mayor potencia eléctrica en la turbina de vapor. El calor restante del CRA tras el precalentamiento de los condensados es disipado en la atmósfera mediante aerorrefrigeradores. Características del CRA de los motores: Temperatura entrada/salida: 82/92ºC Caudal de agua: 53,7 m3/h Situación sin precalentamiento de condensados: El balance en el desgasificador sería el siguiente, siendo (en kg/h) el caudal de vapor de extracción intermedia de la turbina: m v ˜ 643,32 kcal m kg vv ) ˜ 40kcal  ( 6.500  m kg m vv = 672,5 kg/h m 153 6.500kg ˜ 102,42kcal h kg 8 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS Precalentando los condensados hasta 86 ºC antes de entrar al desgasificador, el caudal de extracción de la turbina sería de: mv c = 191,5 kg/h 102 ºC, 92 ºC 86 ºC, 40 ºC 82 ºC Por lo que el ahorro de vapor obtenido es de 481 kg/h, que equivalen a un aumento en la potencia eléctrica de la turbina de vapor de 34,5 kWe. La planta de cogeneración está en funcionamiento 8.760 h/año, por lo que el ahorro se calcula como el incremento de electricidad generada: Ahorro energético = 34,5 kW ˜ 8.760 h = año 301.344 301.344 kWh/año kWh/año Que equivalen a: 75 tep/año Para un precio de energía eléctrica de 8 c€/kWh el ahorro económico es: Ahorro económico = 24.108 €/año Ejemplo: Aprovechamiento del CRA en una máquina de absorción En una cogeneración formada por un motor de 8,8 MWe se ha instalado una máquina de absorción para generar agua fría a 12ºC demandada en proceso. El ahorro obtenido en esta instalación se calcula como el consumo eléctrico evitado en el caso de cubrir la demanda de frío con un grupo de frío eléctrico convencional. Características del motor: Potencia eléctrica: 8.800 kWe Potencia CRA: 2.686 kW Disponibilidad: 0,92 154 Cogeneración Se instala una máquina de absorción con una potencia frigorífica de 1.800 kW y un COP de 0,7. Por lo que el calor aprovechado del CRA es de: 1.800 kW = 2.571 kW 0,7 El calor restante del CRA se disipa mediante aerorrefrigeradores. La máquina de absorción estaría en funcionamiento las mismas horas que el motor: 8.760 h ⋅ 0,92 = 8.059 h/año año El ahorro obtenido sería equivalente al consumo evitado en un grupo de frío eléctrico convencional. Para un COP de 4,4 y un funcionamiento de 8.059 h/año, el consumo eléctrico del grupo de frío sería: 1.800 kW h ⋅ 8.059 = 3.296.864 kWh/año 4,4 año Por lo tanto, el ahorro energético es: Ahorro energético = 3.296.864 kWh/año Que equivalen a: 824 tep/año Para un precio de energía eléctrica de 8 c€/kWh el ahorro económico es: Ahorro económico = 263.750 €/año 8.2 MEJORAS EN COGENERACIÓN CON TURBINA DE GAS Se destacan las siguientes posibilidades de mejora de la eficiencia térmica en turbinas de gas: A. Recuperación del calor de los gases de escape de la turbina = Instalar un post-economizador: Si los gases de escape de la turbina se introducen en una caldera de recuperación, se puede instalar un post-economizador para precalentar un fluido con el calor de los gases de escape de la caldera. De esta manera se consigue un mayor aprovechamiento de los humos, reduciendo su temperatura. 155 8 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS = Post-combustión Las turbinas de gas trabajan con un exceso de aire elevado y es por eso que en los gases de escape, la concentración de oxígeno esté entre el 14 y el 17%.Estos productos de combustión pueden utilizarse como comburente en una nueva combustión. De esta forma se consigue elevar la temperatura de los gases sin que su caudal másico aumente demasiado. Este incremento de la temperatura de los gases provocará: - Una mejora de la transferencia de calor debida al incremento de la temperatura de los gases y de su velocidad. Esto se verá reflejado en un mejor rendimiento global del generador. - Una disminución en los costes de instalación ya que será necesaria una menor superficie de intercambio en la caldera de recuperación. Ejemplo: Post-economizador para precalentar los condensados de retorno a caldera. Una empresa posee una instalación de cogeneración formada por un ciclo combinado con turbina de gas natural de 5.500 kWe y turbina de vapor de 936 kWe. Los gases de salida de la turbina de gas a 470ºC se introducen en una caldera de recuperación para generar un caudal de 14 t/h de vapor a 11 bar. Parte del vapor se emplea en el proceso productivo (6 t/h), mientras que el resto se introduce en la turbina de vapor a condensación (0,08 bar) para generar energía eléctrica. Los condensados de la turbina y del proceso (a 45ºC) se introducen en el desgasificador antes de entrar a caldera. Se va a instalar un post-economizador para precalentar los condensados antes de la entrada al desgasificador, mediante los gases de salida de la caldera a 150ºC. De manera que los gases saldrán del post-economizador a 135ºC. El ahorro obtenido es el caudal de vapor de la extracción intermedia de la turbina que se evita introducir en el desgasificador, y por lo tanto el aumento en la potencia eléctrica de la turbina. Características de los humos de salida de la caldera: Temperatura de salida: 150ºC Porcentaje de oxígeno: 16 % Caudal de humos: 99.500 kg/h 156 Cogeneración El balance en el desgasificador (sin post-economizador), siendo mv en kg/h el caudal de vapor de extracción intermedia de la turbina: 45 ºC, 102 ºC, m vv ˜ 643,32 kcal m kg vv ) ˜ 45kcal  ( 14.000  m kg 14.000kg ˜ 102,42 kcal ; h kg m vv = 1.334 kg/h m Si instalamos el post-economizador, la temperatura de calentamiento de los condensados y el caudal de vapor al desgasificador se obtienen realizando los balances de entalpía en el post-economizador y en el desgasificador. En el post-economizador: 99.500 kg h ⋅ (37,6 − 33,82) kcal kg ⋅ 0,98 = (14.000 − mv ) kg h ⋅ ( h − 45) kcal kg En el desgasificador: mv ⋅ 643,32 kcal kg + (14.000 −mm&vv ) ⋅ h kcal kg = 14.000 kg h ⋅ 102,42 kcal kg De donde se obtiene que los condensados se calientan hasta 72,5º C y el caudal de vapor introducido en el desgasificador es de 719 kg/h. Al reducir la extracción intermedia hasta 719 kg/h, en la turbina de vapor se obtiene una potencia eléctrica de 980 kW. Por lo tanto, el ahorro obtenido es el incremento de generación eléctrica. Para una disponibilidad del 94 %, el ahorro sería: Ahorro energético = (980 − 936 )kW ⋅ 8.760 h ⋅ 0,94 =362.314 kWh/año año Que equivalen a: 90,5 tep/año Para un precio de energía eléctrica de 8 c€/kWh el ahorro económico es: Ahorro económico = 28.985 €/año 157 8 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS B. Enfriamiento del aire de aspiración Al enfriar el aire de aspiración se reduce su volumen específico y se podrá comprimir mayor cantidad de aire. El aire se enfría mediante enfriamiento evaporativo o enfriamiento por refrigeración en función de la climatología del emplazamiento. Ejemplo: Enfriamiento del aire de aspiración en una turbina de gas Una fábrica de neumáticos, ubicada en un clima seco, posee una instalación de cogeneración basada en una turbina de gas natural de 27 MW de potencia nominal. Los gases de escape de la turbina de gas se introducen en una caldera de recuperación para obtener vapor a dos niveles. El vapor de alta presión se introduce en una turbina de vapor, mientras que el de baja presión se utiliza en el proceso. Debido al clima, en verano el aire de aspiración de la turbina de gas se encuentra a una temperatura media de 30ºC, por lo que se instala un enfriador evaporativo, que consiste en inyectar agua pulverizada en la aspiración de aire de la turbina. De esta manera se reduce la temperatura del aire hasta 15ºC. El ahorro por instalar el enfriador evaporativo se calcula como el incremento de potencia eléctrica en la turbina de gas menos el incremento de consumo de gas natural (ya que al enfriar el aire el rendimiento de la turbina aumenta, pero también su consumo). Características de la turbina: Aire de aspiración a 30ºC Potencia mecánica Rendimiento Consumo Rendimiento eléctrico Aire de aspiración a 15ºC 23.199 kWm 27.460 kWm 37,17 % 38,66 % 62.413 kW(PCI) 71.030 kW(PCI) 97 % 97 % Suponiendo 3.000 h/año en los que se necesita que el enfriador evaporativo en funcionamiento, el incremento de energía eléctrica generada es: Incremento generación eléctrica = (27.460 - 23.199) kWm · 0,97 · 3.000 h/año Incremento generación eléctrica = 12.399.510 kWhe/año = 3.100 tep/año 158 Cogeneración Por otro lado, el incremento en consumo de gas natural: Incremento consumo = (71.030 - 62.413) kW · 3.000 h/año / 0,9 Incremento consumo = 28.723.333 kWh (PCS)/año gas natural = 2.223 tep/año Por lo que el ahorro energético obtenido es de: Ahorro energético = 3.100 − 2.223 = 877 tep/año El ahorro económico obtenido para un precio de energía eléctrica de 7,5 c€/kWh y un precio del gas natural de 2,2 c€/kWh(PCS) es el siguiente: Ahorro económico = (12.399.510 · 7,5) - (28.723.333 · 2,2) = 263.750 €/año C. Situar la turbina de gas lo más cerca posible del punto de utilización de los gases. Ejemplo: Situar la turbina de gas cerca del punto de utilización de los gases Una fábrica de celulosa posee una instalación de cogeneración formada por 4 turbinas de gas de 1 MWe cada una. Los humos de estas cuatro turbinas, que salen a 492ºC, se emplean en diferentes secaderos para endurecer la pasta de celulosa. Para completar la demanda de humos en los secaderos se emplean quemadores de gas natural en vena de aire. Dos de las turbinas están alejadas del proceso de secado, por lo que en la conducción de los humos se pierde algo de temperatura, de manera que los gases entran en el secadero a 480ºC. Se va a calcular el ahorro que se obtendría al acercar las dos turbinas de gas al punto de utilización de los gases, que equivale al consumo evitado en los quemadores: Características de los humos de las turbinas: Temperatura salida: 492ºC Porcentaje oxígeno: 15,5 % Consumo de gas natural: 358 Nm3/h Disponibilidad: 98 % 159 8 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS De la tabla 12 se obtiene: Caudal de humos: 49,06 kg/Nm3 gas natural Entalpía humos 492ºC: 127,61 kcal/kg Entalpía humos 480ºC: 122,43 kcal/kg Por lo que el caudal de humos es de 358 Nm3/h · 49,06 kg/Nm3 = 17.563,5 kg/h El ahorro obtenido es el siguiente: Ahorro = 2 · 17.563,5 kg/h · (127,61 - 122,43) kcal/kg = 181.958 kcal/h = 211,6 kW Para una disponibilidad de las turbinas de 98%, el ahorro anual sería: Ahorro energético = 211,6 kW h = 2.018.382 kWh(PCS)/año ⋅ 0,98 ⋅ 8.760 0,9 año Que equivalen a: 156 tep/año Considerando un precio de gas natural de 2,3 c€/kWh(PCS): Ahorro económico = 46.423 €/año 160 Tablas y Ábacos ANEXO TABLAS Y ÁBACOS 161 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 162 Tablas y Ábacos 163 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 164 Tablas y Ábacos 165 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 166 Tablas y Ábacos 167 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 168 Tablas y Ábacos 169 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 170 Tablas y Ábacos 171 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 172 Tablas y Ábacos 173 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 174 Tablas y Ábacos 175 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 176 Tablas y Ábacos 177 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 178 Tablas y Ábacos 179 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 180 Tablas y Ábacos 181 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 182 Tablas y Ábacos 183 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 184 Tablas y Ábacos 185 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 186 Tablas y Ábacos 187 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 188 Tablas y Ábacos 189 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 190 Tablas y Ábacos 191 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 192 Tablas y Ábacos 193 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 194 Tablas y Ábacos 195 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 196 Tablas y Ábacos 197 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 198 Tablas y Ábacos 199 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 200 Tablas y Ábacos 201 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 202 Tablas y Ábacos 203 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 204 Tablas y Ábacos 205 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 206 Tablas y Ábacos 207 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 208 Tablas y Ábacos 209 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 210 Tablas y Ábacos 211 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 212 Tablas y Ábacos 213 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 214 Tablas y Ábacos 215 MEJORAS HORIZONTALES DE AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA SECTOR INDUSTRIAL. ENERGÍA TÉRMICA. EJEMPLOS PRÁCTICOS 216