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Apuntes y prácticas de tecnología energética
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Apuntes y prácticas de tecnología energética

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TEMA I. INTRODUCCIÓN …

TEMA I. INTRODUCCIÓN
Lección 1. Introducción a la tecnología energética
Lección 2. Transformaciones energéticas
Lección 3. Análisis exergético
TEMA II. COMBUSTIÓN
Lección 4. Combustibles
Lección 5. Combustión I. Aspectos estequiométricos
Lección 6. Combustión II. Aspectos energéticos
Lección 7. Hogares y chimeneas
Lección 8. Quemadores. Emisiones de la combustión
TEMA III. EQUIPOS TÉRMICOS
Lección 9. Calderas
Lección 10. Hornos
Lección 11. Secaderos
Lección 12. Equipos y sistemas de producción de frío
TEMA IV. MÁQUINAS TÉRMICAS
Lección 13. Turbinas de vapor
Lección 14. Turbinas de gas
Lección 15. Cogeneración
TEMA V. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA
Lección 16. Centrales térmicas
Lección 17. Energía eólica e hidráulica
Lección 18. Energía solar fotovoltaica
Lección 19. Energía solar térmica

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  • 1. ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE ELCHE UNIVERSIDAD MIGUEL HERNÁNDEZ TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 5◦ Curso. Titulación Ingeniero Industrial Asignatura 2◦ Cuatrimestre. 6 créditos (3 CT + 3 CP) Profesor responsable: Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández PROGRAMA D ESCRIPTOR DE LA ASIGNATURA Fuentes de energía. Gestión energética industrial. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 0: PRESENTACIÓN [2/12]
  • 2. PROGRAMA I NTRODUCCIÓN A LA T ECNOLOGÍA E NERGÉTICA Consideraciones: • La energía juega un papel fundamental en la conformación tecnológica, económica y social de un país y por extensión del planeta. • La energía es un bien escaso del que carecemos y su uso produce unos efectos perjudiciales que en la actualidad únicamente podemos tratar de minimizar. El problema energético se analiza desde dos puntos de vista: 1. Estudio de las fuentes de energía primaria. El sistema energético debe poner a disposición del consumidor energía fiable, segura, limpia y barata. 2. Estudio de la gestión energética en el ámbito de la industria. La energía es una materia prima fundamental para el funcionamiento de la actividad industrial cuyo consumo se debe optimizar. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 0: PRESENTACIÓN [3/12] PROGRAMA I NTRODUCCIÓN A LA T ECNOLOGÍA E NERGÉTICA Importancia de la energía en una región. Objetivos: • Importancia del suministro energético. Necesario para el funcionamiento de toda actividad cotidiana e industrial, debe ser garantizado. • El sistema energético debe aprovisionar a su tejido industrial de energía fiable y a bajo coste. Análisis del problema energético: búsqueda de un modelo de desarrollo sostenible • Fomento del aumento de la eficiencia energética en los distintos sectores: industrial, residencial, servicios y transporte. • Mejora del rendimiento global en la producción de energía eléctrica. • Fomento de la generación distribuida (mayores rendimientos globales). • Fomento del empleo de Energías Renovales. • Fomento de la mentalización de ahorro energético. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 0: PRESENTACIÓN [4/12]
  • 3. PROGRAMA I NTRODUCCIÓN A LA T ECNOLOGÍA E NERGÉTICA Importancia de la energía en la industria. Objetivos: 1. Garantizar el suministro energético imprescindible para su funcionamiento. 2. Minimizar el consumo de energía por unidad de producto para: (a) Reducir costes de fabricación. En algunos sectores industriales el coste energético es una parte fundamental de los costes de fabricación, debiéndose minimizar para asegurar la competitividad de la industria. (b) Reducir emisiones contaminantes. Actualmente se considera que contaminar es caro y pone en riesgo la propia continuidad de la actividad industrial. Para ello puede realizar la siguientes funciones: 1. Análisis y selección de las energías empleadas en la industria. 2. Estudio de la eficiencia energética de los distintos equipos que forman la instalación así como el análisis de las posibles mejoras a realizar. 3. Análisis de las distintas posibilidades de autoabastecimiento: cogeneración. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 0: PRESENTACIÓN [5/12] PROGRAMA O BJETIVOS G ENERALES DE LA A SIGNATURA • El estudiante que curse la asignatura, deberá conocer las fuentes bibliográficas más importantes de la materia. • Ser consciente de la necesidad de la energía y de los problemas de su consumo. • Ser consciente de que existen multitud de posibilidades de aplicar medidas de ahorro energético cuya rentabilidad justifica su ejecución. • Conocer el funcionamiento actual de los mercados energéticos en España. • Comprender que la energía se conserva pero se degrada y que la optimización de los sistemas debe focalizarse a darle el mayor aprovechamiento útil a la energía. • Conocer distintas soluciones tecnológicas para mejorar la eficiencia energética en equipos y procesos industriales. • Conocer las posibilidades de la cogeneración. • Conocer el funcionamiento de las centrales de producción de energía eléctrica de forma convencional: térmica, nuclear e hidroeléctrica. • Aprender el funcionamiento de los distintos tipos de energías no renovables empleadas en la actualidad. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 0: PRESENTACIÓN [6/12]
  • 4. PROGRAMA O BJETIVOS E SPECÍFICOS DE LA A SIGNATURA • El alumno o alumna deberá ser capaz de determinar económicamente los costes energéticos de una industria. • Realizar un diagrama de Sankey de energía y exergía de un proceso, determinando la localización y magnitud de las pérdidas energéticas y exergéticas • Evaluar económicamente el coste de las pérdidas energéticas y exergéticas. • Realizar una auditoría energética de forma correcta desde los puntos de vista técnico, de procedimiento y de forma. • Evaluar económicamente los costes energéticos por unidad de producto de una industria. • Analizar la viabilidad económica de proyectos energéticos planteados con el objetivo de mejorar la eficiencia energética de una industria. • Determinar las posibilidades de ahorro energético y beneficios económicos que supone la cogeneración. • Realizar el esquema de una instalación solar térmica forzada para una vivienda unifamiliar. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 0: PRESENTACIÓN [7/12] PROGRAMA P ROGRAMA DE TEORÍA RESUMIDO BLOQUE TEMÁTICO I. INTRODUCCIÓN Lección 1. Introducción a la tecnología energética Lección 2. Transformaciones energéticas Lección 3. Análisis exergético BLOQUE TEMÁTICO II. GESTIÓN ENERGÉTICA Lección 4. Combustibles Lección 5. Aprovisionamiento de energía. Mercados Lección 6. Termoeconomía Lección 7. Gestión energética. Auditorías BLOQUE TEMÁTICO III. COMBUSTIÓN Lección 8. Combustión I. Aspectos estequiométricos Lección 9. Combustión II. Aspectos energéticos Lección 10. Hogares y chimeneas Lección 11. Quemadores. Emisiones de la combustión AMMT UMH. TEN LECCIÓN 0: PRESENTACIÓN [8/12]
  • 5. PROGRAMA P ROGRAMA DE TEORÍA RESUMIDO BLOQUE TEMÁTICO IV. EQUIPOS TÉRMICOS Lección 12. Calderas Lección 13. Hornos Lección 14. Secaderos Lección 15. Equipos de producción de frío BLOQUE TEMÁTICO V. COGENERACIÓN Lección 16. Cogeneración. Aspectos tecnológicos Lección 17. Cogeneración. Aspectos legales y económicos BLOQUE TEMÁTICO VI. ENERGÍAS CONVENCIONALES Lección 18. Centrales térmicas Lección 19. Centrales nucleares Lección 20. Centrales hidráulicas BLOQUE TEMÁTICO VII. ENERGÍAS NO CONVENCIONALES Lección 21. Energía solar térmica Lección 22. Energía eólica Lección 23. Otras energías renovables AMMT UMH. TEN LECCIÓN 0: PRESENTACIÓN [9/12] PROGRAMA P RÁCTICAS P ROGRAMA DE PRÁCTICAS • Práctica 1. Aprovisionamiento de combustibes gaseosos (2h, aula) • Práctica 2. Aprovisionamiento de combustibes líquidos (2h, aula) • Práctica 3. Rendimiento de una instalación de bombeo (2h, laboratorio) • Práctica 4. Rendimiento de una instalación frigorífica (2h, laboratorio) • Práctica 5. Cálculo del rendimiento de una caldera (2h, laboratorio) • Práctica 6. Aprovechamiento energético de colectores solares (2h, laboratorio) • Práctica 7. Cogeneración (2h, aula informática) • Práctica 8. Visita a una instalación industrial (4h, optativa) AMMT UMH. TEN LECCIÓN 0: PRESENTACIÓN [10/12]
  • 6. PROGRAMA E VALUACIÓN E VALUACIÓN DE LA ASIGNATURA • Examen escrito – Teoría: Seis-ocho ejercicios teórico/prácticos (50%) – Problemas: Dos-tres problemas (50%) Las prácticas son optativas pero forman parte de la materia de examen Es necesario un mínimo de 3,5 puntos en cada parte del examen escrito para hacer media Es necesario un mínimo de 5,0 puntos en la nota del examen para aprobar AMMT UMH. TEN LECCIÓN 0: PRESENTACIÓN [11/12] PROGRAMA B IBLIOGRAFÍA RECOMENDADA • Manuales Técnicos y de Instrucción para Conservación de energía. C. E. de la Energía, ISBN: 84-500-9285-X. • Calor y Frío Industrial I, Juan A. de Andrés y Rodriguez Pomatta. UNED, ISBN 84-362-1597-4. • Manual de Eficiencia Energética Térmica en la Industria, L.A. Molina Igartua y G. Molina Igartua, Ente Vasco de la Energía, ISBN 84-8129-022-X. • Tecnología Energética, Bermúdez, V., Servicio de Publicaciones de la UPV, 1997. • La combustión. Miranda Barreras, A. L., Oliver Pujol, R., (1996), Ed. CEAC, ISBN: 84-329-6550-2. • Fundamentos de Termodinámica Técnica, M.J. Morán y H.N. Shapiro, Editorial Reverté, ISBN 84-291-4171-5. • Manuales de energías renovables: Minicentrales hidroeléctricas, energía eólica, energía de la biomasa, incineración de resíduos sólidos urbanos, energía solar térmica, energía solar fotovoltaica. Madrid: IDAE. • Técnicas de Conservación Energética en la Industria. Tomos 1 y 2. Centro de Estudios de la Energía, ISBN: 84-7474-168-8. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 0: PRESENTACIÓN [12/12]
  • 7. LECCIÓN 1. INTRODUCCIÓN Índice de Contenidos: 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Introducción Fuentes de energía Consumos de energía primaria y final en España y Europa Planificación energética Usos industriales de la energía Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [1/26] LECCIÓN 1. INTRODUCCIÓN Objetivos de la lección: 1. Conocer las fuentes de energía más importantes. 2. Enumerar las fuentes energéticas de las que se aprovisiona España y conocer la importancia de cada una de ellas. 3. Ser consciente del problema energético y de las medidas a tomar para reducirlo. 4. Conocer las necesidades energéticas más importantes de la industria. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [2/26]
  • 8. INTRODUCCIÓN I NTRODUCCIÓN A LA T ECNOLOGÍA E NERGÉTICA Consideraciones: • La energía juega un papel fundamental en la conformación tecnológica, económica y social de un país y por extensión del planeta. • La energía es un bien escaso del que carecemos y su uso produce unos efectos perjudiciales que en la actualidad únicamente podemos tratar de minimizar. El problema energético se analiza desde dos puntos de vista: 1. Estudio de las fuentes de energía primaria. El sistema energético debe poner a disposición del consumidor energía fiable, segura, limpia y barata. 2. Estudio de la gestión energética en el ámbito de la industria. La energía es una materia prima fundamental para el funcionamiento de la actividad industrial cuyo consumo se debe optimizar. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [3/26] INTRODUCCIÓN P ROBLEMA ENERGÉTICO . V ISIÓN GLOBAL Aspectos a considerar: • Importancia del suministro energético. El sistema energético debe aprovisionar a su tejido industrial de energía fiable y a bajo coste. Análisis del problema energético: búsqueda de un modelo de desarrollo sostenible • Fomento del aumento de la eficiencia energética en los distintos sectores: industrial, residencial, servicios y transporte. • Mejora del rendimiento global en la producción de energía eléctrica. • Fomento de la generación distribuida (mayores rendimientos globales). • Fomento del empleo de Energías Renovales. • Fomento de la mentalización de ahorro energético. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [4/26]
  • 9. INTRODUCCIÓN P ROBLEMA ENERGÉTICO . V ISIÓN DE LA INDUSTRIA Importancia de la energía en la industria. Objetivos: 1. Garantizar el suministro energético imprescindible para su funcionamiento. 2. Minimizar el consumo de energía por unidad de producto para: (a) Reducir costes de fabricación. Competitividad de la industria. (b) Reducir emisiones contaminantes. Contaminar es caro y pone en riesgo la propia continuidad de la actividad industrial. Para ello puede realizar la siguientes funciones: 1. Análisis y selección de las energías empleadas en la industria. 2. Estudio del funcionamiento de los distintos equipos que forman la instalación. 3. Análisis de posibilidades para mejorar la eficiencia energética. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [5/26] INTRODUCCIÓN D EFINICIONES Energías primarias Tambien denominadas fuentes de energía, son las sustancias o fenómenos capaces de suministrar energía utilizable por las personas directamente o despues de una transformación. Energías finales. Son aquellas formas de energía que los consumidores gastan en su forma final: combustibles líquidos, butano, propano, gas natural, electricidad, carbón, etc. Proceden de las fuentes de trabsformación primaria por transformación de éstas. Autoabastecimiento energético. Relación entre la producción propia de una fuente de energía primaria y el consumo total de esta fuente de energía. Demanda energética. Cantidad de energía gastada en un país. Se puede referir bien al consumo de energías primarias o bien al consumo de energías finales. Recurso energético. Es la cantidad de una fuente energía disponible para su uso, en función de las mayor o menor facilidad para obtenerla. Reserva energética. Es el recurso energético que ha sido medido cuya extracción es económicamente factible AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [6/26]
  • 10. INTRODUCCIÓN C LASIFICACIÓN DE LAS F UENTES DE E NERGÉTICA F UENTES DE E NERGÍA P RIMARIA : • Combustibles fósiles: carbón, petróleo, gas natural – Producción de electricidad en centrales térmicas o grupos de cogeneración – Transporte terrestre, marítimo y aéreo (generalemente comb. líquidos) – Generación de energía térmica en la industria: calderas, hornos, secaderos. • Energía nuclear – Producción de electricidad en centrales nucleares • Energía hidráulica – Producción de electricidad en centrales hidráulicas Energías renovables: solar, eólica, biomasa, geotérmica – Producción de electricidad mediante energía eólica, fotovoltaica, solar termoeléctrica o biomasa. – Producción de calor mediante energía solar térmica o biomasa. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [7/26] INTRODUCCIÓN F. DE E NERGÍA : C ONVENCIONALES O NO , R ENOVABLES Comparación entre las diferentes fuentes de energía. ENERGÍA CARBÓN PETRÓLEO GAS NATURAL NUCLEAR HIDRÁULICA SOLAR EÓLICA BIOMASA CONVENCIONAL SI SI SI SI SI NO NO NO RENOVABLE NO NO NO NO SI SI SI SI Consideraciones con respecto a las distintas fuentes de energía primaria: • Las fuentes de energía primaria convencionales son no renovables, a excepción de la energía hidráulica cuyo uso está limitado. • Todas las energías primarias producen cierto impacto ambiental. • La contaminación de la combustión de los combustibles sólidos y del uso de la energía nuclear tiene consecuencias a nivel planetario. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [8/26]
  • 11. INTRODUCCIÓN C ONSUMO DE ENERGÍA PRIMARIA EN E SPAÑA , 2004 CONSUMO DE ENERGÍA PRIMARIA POR FUENTES, 2004 -ESPAÑA- Petróleo 50,0% Gas natural 17,4% Hidráulica 1,9% Nuclear 11,7% Saldo eléctrico -0,2% Renovables 6,4% Eólica 0,9% Biogás 0,2% Biocarburantes Biomasa 2,9% 0,2% Solar Fotovoltaica 0,003% Solar Térmica 0,04% R.S.U. Carbón 14,8% 0,3% Geotermia AMMT UMH. TEN 0,01% LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [9/26] INTRODUCCIÓN C ONSUMO DE ENERGÍA PRIMARIA EN E SPAÑA , 2004 CONSUMO DE ENERGÍA PRIMARIA ktep 2004 2003 2002 2001 2000 1999 Carbón 21.035 14,8% 20.462 15,0% 21.891 16,5% 19.528 15,3% 21.635 17,3% 20.519 Petróleo 71.055 50,0% 69.313 50,7% 67.647 51,1% 66.721 52,2% 64.663 51,7% 63.041 52,8% Gas natural 24.672 17,4% 21.254 15,6% 18.757 14,2% 16.405 12,8% 15.223 12,2% 13.535 11,3% Hidráulica* 2.714 1,9% 3.533 2,6% 1.988 1,5% 3.528 2,8% 2.535 2,0% 2.246 1,9% Resto Renovables 6.294 4,4% 5.834 4,3% 5.326 4,0% 4.823 3,8% 4.460 3,6% 4.243 3,6% 16.576 11,7% 16.125 11,8% 16.422 12,4% 16.602 13,0% 16.211 13,0% -261 -0,2% 109 0,1% 298 0,2% 382 0,3% Nuclear Saldo eléctrico TOTAL 142.085 100,0% * Incluye minihidráulica. AMMT UMH. TEN 136.630 100,0% 458 0,3% 132.490 100,0% 127.905 100,0% 17,2% 15.337 12,8% 492 0,4% 125.109 100,0% 119.413 100,0% Fuente: Ministerio de Industria, Turismo y Comercio / IDAE. LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [10/26]
  • 12. INTRODUCCIÓN C ONSUMO DE ENERGÍA PRIMARIA EN E UROPA , 2003 CONSUMO DE ENERGÍA PRIMARIA POR FUENTES, 2003 –UNIÓN EUROPEA-15 – Gas natural 24,2% Hidráulica 1,6% Nuclear 15,3% Eólica Saldo eléctrico 0,2% Renovables 6,1% Biomasa 0,3% 3,9% Solar Térmica Geotermia Petróleo 39,4% 0,04% 0,3% Carbón 14,8% AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [11/26] INTRODUCCIÓN C ONSUMO DE ENERGÍA PRIMARIA EN E UROPA , 2003 CONSUMO DE ENERGÍA PRIMARIA EN LOS 25 ESTADOS MIEMBROS DE LA UE, 2002 (ktep) Alemania Francia Reino Unido Italia España Polonia Holanda Bélgica Suecia República Checa Finlandia Austria Grecia Portugal Hungría Dinamarca Eslovaquia Irlanda Lituania Eslovenia Estonia Letonia Luxemburgo Chipre Malta 0 50.000 100.000 150.000 200.000 ktep AMMT UMH. TEN 250.000 300.000 350.000 400.000 Fuente: EUROSTAT. LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [12/26]
  • 13. INTRODUCCIÓN C ONSUMO DE ENERGÍA FINAL EN E SPAÑA , 2003 CONSUMO DE ENERGÍA FINAL, 2003 –ESPAÑA– POR FUENTES 100% POR SECTORES Renovables (4,0%) 100% Agricultura* (4,2%) Servicios (8,6%) 80% Residencial (16,8%) Electricidad (20,5%) 80% Gas (16,6%) 60% 60% 40% 40% Transporte (39,1%) Petróleo (56,3%) 20% 20% Industria (31,3%) Carbón (2,6%) 0% Nota: Excluidos consumos no energéticos. Fuente: Ministerio de Industria, Turismo y Comercio / IDAE. 0% Nota: Excluidos consumos no energéticos. AMMT UMH. TEN Fuente: Ministerio de Industria, Turismo y Comercio / IDAE. LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [13/26] INTRODUCCIÓN C ONSUMO DE ENERGÍA FINAL EN E UROPA , 2003 CONSUMO DE ENERGÍA FINAL, 2003 –UNIÓN EUROPEA-15 – POR FUENTES 100% 80% 60% POR SECTORES Calor (3,3%) Renovables (3,9%) Electricidad (20,3%) Gas (24,0%) 0% Nota: Gases de coquería y horno alto incluidos bajo la categoría “Carbón”. AMMT UMH. TEN Agricultura (2,2%) Servicios (12,5%) 80% 60% 40% 20% 100% Residencial (26,1%) 40% Petróleo (44,7%) Carbón (3,9%) Fuente: EUROSTAT. 20% Transporte (31,6%) Industria (27,7%) 0% Fuente: EUROSTAT. LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [14/26]
  • 14. INTRODUCCIÓN C ONSUMO DE ENERGÍA FINAL EN E UROPA , 2003 2003 Carbón CONSUMO ENERGÉTICO TOTAL CONSUMO CONSUMO NO TOTAL CONSUMO Petróleo Gas Electricidad Renovables ENERGÉTICO ENERGÉTICO FINAL 2.377 5.024 11.625 8.458 1.343 28.827 8.248 37.075 Transporte 0 35.410 0 441 184 36.034 338 36.372 Residencial 47 5.836 2.935 4.664 2.026 15.508 0 15.508 Servicios 12 2.629 337 4.922 74 7.973 0 7.973 Agricultura (*) 0 2.994 424 435 20 3.872 28 3.901 2.436 51.891 15.321 18.919 3.647 92.215 8.614 100.829 Industria TOTAL AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [15/26] INTRODUCCIÓN E STRUCTURA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA EN E SPAÑA , ESTRUCTURA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA EN 2004 – ESPAÑA – Gas natural 20,0% Nuclear 23,0% Renovables 19,4% Hidráulica 12,4% Eólica Petróleo 8,6% AMMT UMH. TEN Carbón 29,0% 5,4% Biomasa 0,8% Biogás 0,3% Solar Fotovoltaica 0,02% R.S.U. 0,4% LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [16/26]
  • 15. INTRODUCCIÓN E STRUCTURA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA EN E UROPA , ESTRUCTURA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA EN 2002 –UE-15 Otras energías renovables 3,6% ESTRUCTURA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA EN 2002 –UE-25 Otras energías renovables 3,3% Carbón 26,6% Petróleo 6,5% Carbón 30,6% Petróleo 6,2% Hidráulica 11,6% Hidráulica 10,9% Nuclear 33,4% Gas natural 18,3% Nuclear 31,9% AMMT UMH. TEN Gas natural 17,0% LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [17/26] INTRODUCCIÓN E MISIONES POR LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRI Generación de energía eléctrica en España y en la UE, 2002. % ESPAÑA UE CO2 NOx SO2 Carbón 33,6 26,6 1058,2 2,986 2,971 Petróleo 11,6 6,5 802,1 1,3 2,9 Gas Natural CCTG 13,1 18,3 350 1,2 0,007 Nuclear 25,6 33,4 8,6 0,034 0,029 Hidráulica 9,0 11,6 6,6 0 0 Otras EE.RR. 7,1 3,6 6 0 0 TOTAL TWh 245,7 2678,3 Producción de energía eléctrica en TWh (109 kWh). Emisiones en g/kWh. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [18/26]
  • 16. INTRODUCCIÓN E NERGÍAS PRIMARIAS Y FINALES EN E SPAÑA AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [19/26] INTRODUCCIÓN P LANIFICACIÓN ENERGÉTICA ”Un país o región debe realizar una planificación energética que asegure el abastecimiento energético de su población” Medidas a realizar • Asegurar la fiabilidad del suministro energético. • Limitar el impacto ambiental del empleo de la energía. • Incentivar el ahorro energético mediante un uso racional de la energía. • Incentivar el I+D+I (investigación, desarrollo e innovación) para mejorar el sistema energético. • Favorecer las fuentes de energía con mayor grado de autoabastecimiento. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [20/26]
  • 17. INTRODUCCIÓN P LANIFICACIÓN ENERGÉTICA El empleo de fuentes de energía convencionales produce entre otros efectos la emisión a la atmósfera de gases que producen el efecto invernadero En el Protocolo de Kioto, España se comprometió a no incrementar las emisiones de gases de efecto invernadero por encima del 15% en el año 2010, con respecto a las emisiones totales de 1990. En el año 2000 el crecimiento de las emisiones ya era del 33% sobre las cifras de 1990, lo que refuerza el argumento de incrementar el esfuerzo en: 1. Mejorar la Eficiencia Energética. Minimizar el consumo energético en todos los sectores. 2. Mejorar el rendimiento global en la producción de energía eléctrica. Nuevas centrales de ciclo combinado con rendimientos del 52%. 3. Fomentar la generación eléctrica distribuida. Primas a la plantas de cogeneración. 4. Fomentar el empleo de Energías Renovales. Objetivo de alcanzar en el 2010 que al menos el 12% de la energía primaria consumida sea de origen renovable. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [21/26] INTRODUCCIÓN P LANIFICACIÓN ENERGÉTICA Planificación energética en España en el horizonte 2010-12 • Plan de Fomento de las Energías Renovables 2000-2010. Objetivo: 12% de consumo de energías renovables en el año 2010. • Planificación de los sectores de electricidad y gas: Desarrollo de la red de transporte. Objetivo: asegurar suministro. • Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética en España 2004-2012. Objetivo: reducir la intensidad energética un 7,5%. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [22/26]
  • 18. INTRODUCCIÓN U SOS INDUSTRIALES DE LA ENERGÍA N ECESIDADES ENERGÉTICAS • M EDIANTE ELECTRICIDAD . Conexión en alta o baja tensión a la empresa distribuidora bien mediante tarifa regulada o bien mediante tarifa de acceso. Desde un punto de vista global se debe considerar que la energía eléctrica se produce principalmente en centrales térmicas o nucleares. De forma general se suele tomar que sólo el 34% de la energía primaria consumida en la central llega al consumidor final. • M EDIANTE COMBUSTIBLES . Generalmente combustibles comerciales líquidos como gasóleos o fuelóleos o gaseosos como gas natural o propano. La Autogeneración consiste en instalar un grupo de cogeneración en la industria para autogenerarse la energía eléctrica a partir de un combustible. Mediante este sistema se llega a aprochevar hasta un 90% de la energía consumida en el grupo de generación eléctrica. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [23/26] INTRODUCCIÓN C ONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN LA INDUSTRIA O BJETIVOS : • Alumbrado. • Generación de energía mecánica: fuerza motriz para accionamiento de maquinaria, máquinas herramientas, bombas hidráulicas, ventiladores. • Usos térmicos. Hornos eléctricos, producción de frío o de calor. E QUIPOS : • Lámparas. Se emplean lámparas incandescentes o fluorescentes. • Motores eléctricos. Se emplean para la producción de energía mecánica. • Resistencias eléctricas. El empleo de resistencias eléctricas para la producción de energía térmica es poco eficiente. • Producción de frío o calor por compresión. Este tipo de transformaciones se produce con un rendimiento (COP) superior a la unidad (1,5 - 3). • Transformadores eléctricos. Son necesarios para adaptar la tensión eléctrica a los correspondientes a los distintos equipos eléctricos de la industria. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [24/26]
  • 19. INTRODUCCIÓN C ONSUMO DE ENERGÍA TÉRMICA EN LA INDUSTRIA O BJETIVOS : • Generación de vapor y/o fluidos térmicos. • Calentamiento directo en hornos, secado. • Calefacción ambiental. • Generación de energía mecánica bien para transporte, para producción de electricidad o para accionamiento de equipos. E QUIPOS : • Calderas. Equipos destinados a incrementar la energía térmica de los fluidos. • Hornos y secaderos. Equipos destinados a producir una transformación físico-química en una carga. • Turbinas de vapor y de gas. Producción de energía mecánica. • Motores alternativos. De igual forma se emplean motores alternativos de gas natural, gasóleo o fuelóleo. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [25/26] INTRODUCCIÓN B IBLIOGRAFÍA Bibliografía recomendada: Bermúdez, V., 2000, capítulos 1 y 2. Esquerra Pizá, P., 1988, pp. 9 - 20. Boletín IDAE no7, pp. 19 - 51. Boletín Estadístico de Hidrocarburos: Resumen año 2004. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN [26/26]
  • 20. LECCIÓN 2. Transformaciones Energéticas Índice de Contenidos: 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Interconexiones de energía Análisis energético. Formulación Análisis energético. Ejemplos Pérdidas por transporte Rendimiento global de una transformación energética Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [1/26] LECCIÓN 2. Transformaciones Energéticas Objetivos de la lección: 1. Conocer las distintas transformaciones energéticas que se producen en el uso de la energía 2. Conocer de forma somera las tecnologías que producen las transformaciones energéticas de mayor interés práctico 3. Realizar análisis energéticos sencillos en equipos y sistemas AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [2/26]
  • 21. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Introducción La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma, y a lo largo de su transformación se degrada hasta transferirse al medio ambiente en forma de calor La energía aparece en distintas formas y puede transformarse en energías de distintos tipos para su mejor aprovechamiento. • Energías primarias: energía química (carbón, petróleo, gas natural), energía nuclear (uranio), energía solar (solar térmica, fotovoltaica, eólica) y energía gravitacional (hidráulica, maremotriz). • Energías secundarias: energía eléctrica, energía mecánica, energía térmica. • Energías de uso final: energía mecánica, energía térmica. En cada transformación energética se pierde parte de la energía puesta en juego. Además de las pérdidas en los equipos, deben considerarse las pérdidas por transporte. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [3/26] TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Transformaciones energéticas entre distintas energías AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [4/26]
  • 22. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Análisis energético. Formulación Primer principio de la termodinámica: principio de conservación de la energía SISTEMAS CERRADOS: ∆E = −W12 + Q12 ∆E = E2 − E1: Variación de la energía del sistema Q12 : Calor recibido por el sistema W12: Trabajo realizado por el sistema Un sistema termodinámico tiene energía en forma de energía interna U, energía cinética c2/2 o energía potencial g z. La variación de energía en un sistema entre dos estados de equilibrio resulta ∆E = E2 − E1 = (U2 −U1) + (Ec2 − Ec1) + (E p2 − E p1) = −W12 + Q12 En términos de potencia resulta dE dU dEc dE p ˙ ˙ = + + = −W12 + Q12 dt dt dt dt AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [5/26] TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Análisis energético. Formulación Primer principio de la termodinámica: principio de conservación de la energía SISTEMAS ABIERTOS: ∆Evc = Q −W + Ee − Es ∆Evc : Variación de la energía del volumen de control Q12 : Calor recibido por el sistema W12: Trabajo realizado por el sistema Ee : Energía que entra en el volumen de control Es : Energía que sale del volumen de control En términos de energía por unidad de tiempo (potencia) dEvc c2 c2 ˙ ˙ = Q − W + me ue + gze + e − ms us + gzs + s ˙ ˙ dt 2 2 ˙ ˙ ˙ ˙ W = Wvc + ms (ps vs ) − me (pe ve ) 2 2 dEvc ˙ − W + me ue + pe ve + gze + ce − ms us + ps vs + gzs + cs ˙ =Q ˙ ˙ dt 2 2 AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [6/26]
  • 23. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Análisis energético. Formulación SISTEMAS ABIERTOS ESTACIONARIOS: 2 c ˙ ˙ 0 = Qvc − Wvc + me ue + pe ve + gze + e ˙ 2 − ms us + ps vs + gzs + ˙ c2 s 2 h = u + pv 2 c ˙ ˙ ˙ 0 = Qvc − Wvc + me he + gze + e 2 − ms ˙ c2 hs + gzs + s 2 ˙ ˙ Sistemas con una entrada y una salida me = ms = m ˙ 2 2 c − ce ˙ ˙ ˙ Qvc − Wvc = m (ps − pe ) + (ps vs − pe ve ) + g(zs − ze ) + s 2 2 2 c − ce ˙ ˙ ˙ Qvc − Wvc = m hs − he + g(zs − ze) + s 2 AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [7/26] TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Análisis energético. Válvulas de expansión ANÁLISIS ENERGÉTICO: ps pe c2 − c2 e ˙ ˙ Q − W = m us − ue + − + g(zs − ze ) + s ˙ ρs ρe 2 2 2 c − ce ˙ ˙ Q − W = m hs − he + g(zs − ze) + s ˙ 2 Proceso adiabático. Transferencia de calor despreciable hs = he AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [8/26]
  • 24. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Análisis energético. Bombas y turbinas ANÁLISIS ENERGÉTICO: ps pe c2 − c2 e ˙ ˙ Q − W = m us − ue + − + g(zs − ze ) + s ˙ ρs ρe 2 2 2 ˙ = m ps − pe + g(zs − ze) + cs − ce W ˙ ρs ρe 2 Se define la altura manométrica como: ps pe c2 − c2 e g Hm = − + g(zs − ze ) + s ρs ρe 2 ˙ ˙ W = Mω = m g Hm = ρV g Hm ˙ AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [9/26] TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Análisis energético. Bombas y turbinas Pérdidas: 1. En el rodete por fricción y por choque del fluido. 2. Pérdidas volumétricas internas y externas. 3. Pérdidas mecánicas por fricción en el eje. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [10/26]
  • 25. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Análisis energético. Compresores y Turbinas ANÁLISIS ENERGÉTICO: ps pe c2 − c2 e ˙ ˙ Q − W = m us − ue + − + g(zs − ze ) + s ˙ ρs ρe 2 2 2 c − ce ˙ W = m hs − he + g(zs − ze ) + s ˙ 2 Los términos de energías cinética y potencial se suelen despreciar, resultando: ˙ W = m [hs − he] ˙ AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [11/26] TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Análisis energético. Compresores y Turbinas Pérdidas: 1. En el rodete por fricción y por choque del fluido. 2. Pérdidas volumétricas internas y externas. 3. Pérdidas mecánicas por fricción en el eje. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [12/26]
  • 26. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Análisis energético. Cambiador de calor Pérdidas: • Pérdidas en las paredes por radiación y convección. Rendimiento: η= m f 2 (h f 2,s − h f 2,e ) ˙ m f 1 (h f 1,e − h f 1,s ) ˙ Eficiencia térmica: Qreal interc. ε= Qmax interc. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [13/26] TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Análisis energético. Cámara de combustión Pérdidas: 1. Pérdidas por inquemados. 2. Pérdidas en las paredes por conducción, convección y radiación. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [14/26]
  • 27. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Análisis energético. Calderas Pérdidas: 1. Pérdidas por inquemados. 2. Pérdidas en los gases de escape. 3. Pérdidas en las paredes por conducción, convección y radiación. 4. Pérdidas por purgas. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [15/26] TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Análisis energético. Hornos Pérdidas: 1. Pérdidas en los gases de escape. 2. Pérdidas en las paredes por radiación y conducción. 3. Pérdidas de calor sensible de la carga. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [16/26]
  • 28. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Análisis energético. Motor y generador eléctrico Pérdidas: 1. En el devanado eléctrico. Por efecto Joule. 2. En el entrehierro. Por corrientes parásitas de Foucalt y reluctancia. 3. En las pártes móviles. Se trata de pérdidas orgánicas por fricción. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [17/26] TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Análisis energético. Transformador Pérdidas: 1. En el devanado eléctrico. Se produce una pérdidas por efecto Joule al pasar la corriente eléctrica por los conductores que forman los arrollamientos. Dependen de la resistencia del conductor y del cuadrado de la intensidad circulante. 2. En el entrehierro. Por corrientes parásitas de Foucalt al cerrarse líneas del campo magnético en el aire y por la propia reluctancia del núcleo magnético. Se trata de pérdidas prácticamente constantes e independientes de la potencia suministrada. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [18/26]
  • 29. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Análisis energético. Ciclos de potencia Rendimiento del sistema Pe η= m PC ˙ AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [19/26] TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Análisis energético. Ciclos de potencia 1. Ciclos Baryton (Turbinas de gas) 2. Ciclos Otto (MCIA MEP) 3. Ciclos Diesel (MCIA MEC) AMMT UMH. TEN Rendimiento del sistema Pe η= m PC ˙ LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [20/26]
  • 30. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Análisis energético. Ciclos de refrigeración Máquina frigorífica Coeficiente de eficiencia energética: ˙ Qe Pot. consumida Bomba de calor Coeficiente de prestación de un sistema: CEE = COP = AMMT UMH. TEN ˙ Qc Pot. consumida LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [21/26] TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Pérdidas por transporte de energía • Pérdidas por transporte de la energía eléctrica: Pot = R I 2 • Pérdidas por transporte de fluidos: ∆P = λ L 1 2 + ΣK ρv D 2 Pot per = Q ∆P • Pérdidas térmicas por transporte de fluidos caloportadores: Q per = U A (∆T ) AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [22/26]
  • 31. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Rendimiento global de una transformación energética AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [23/26] TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Consumo de energía térmica en la industria • Punto de vista local. – Comprobar el buen estado de funcionamiento del motor y de la bomba. – Comprobar que el punto de funcionamiento de la bomba está cerca su punto nominal de máximo rendimiento. – Comprobar que el caudal bombeado es el de diseño. Si la instalación funciona con un mayor caudal, aumentarán las pérdidas de carga con Q2 y la potencia de bombeo con Q3 . – Analizar las pérdidas de presión de la instalación. Se debe comprobar que las pérdidas del circuito son las de diseño y si son susceptibles de reducirse. • Punto de vista global. – Posibilidad de autogeneración de la electricidad para minizar pérdidas por transporte. – Posibilidad de conectar la bomba a un motor de combustión interna realizando de forma más directa la conversión energía química del combustible a energía del fluido. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [24/26]
  • 32. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Rendimientos típicos de transformaciones energéticas Rendimientos típicos de las transformaciones energéticas. Equipo transformador Rendimiento (%) Motor Eléctrico 70-92 Generador Eléctrico 90-96 Transformador Eléctrico 95-99 Bomba hidráulica 60-85 Turbina hidráulica 70-90 MCIA. Encendido provocado 25-32 MCIA. Encendido por compresión 45-50 Turbina de gas 25-30 Turbina de vapor 40-50 Intercambiador de calor 94-96 Lámpara fluorescente 20 Lámpara incandescente 5 AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [25/26] TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS Bibliografía Bibliografía recomendada: Moran, M.J., Shapiro, H.N., 2004, capítulo 4. Cengel, Y.A., Boles, M.A., 2002, capítulo 4. Bermúdez, V., 2000, capítulo 1. Agüera Soriano, 1999, capítulo 2. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 2: TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS [26/26]
  • 33. LECCIÓN 3. ANÁLISIS EXERGÉTICO Índice de Contenidos: 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Introducción Análisis exergético. Formulación Sistemas cerrados Sistemas abiertos Rendimiento exergético Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. TEN LECCIÓN 3: ANÁLISIS EXERGÉTICO [1/14] INTRODUCCIÓN Objetivos de la lección 1. Repasar los conceptos básicos de la termodinámica para ser capaces de realizar análisis exergéticos de sistemas abiertos y cerrados. 2. Realizar análisis exergéticos sencillos en equipos y sistemas de interés práctico. 3. Calcular el rendimiento exergético de una transformación energética. 4. Determinar analíticamente cuanto se degrada la energía en las distintas transformaciones energéticas. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 3: ANÁLISIS EXERGÉTICO [2/14]
  • 34. ANÁLISIS EXERGÉTICO Introducción La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma, y a lo largo de su transformación se degrada hasta transferirse al medio ambiente en forma de calor En los análisis de sistemas térmicos se emplea: • Conservación de la masa • Primer principio de la termodinámica (conservación de la energía) • Segundo principio de la termodinámica (degradación de la energía) Importancia de desarrollar sistemas térmicos que hagan uso efectivo de los recursos energéticos no renovables: combustibles fósiles Uso más eficiente de los recursos energéticos pues permite determinar la localización, tipo y magnitud de las pérdidas energéticas: optimización de los sistemas térmicos. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 3: ANÁLISIS EXERGÉTICO [3/14] ANÁLISIS EXERGÉTICO Exergía termomecánica La exergía es la máxima cantidad de trabajo que puede realizar un sistema cuando evoluciona desde el estado considerado hasta el estado muerto. Ex = (E −Uo) − To (S − So) + po(V −Vo ) ex = (e − eo) + po(v − vo) − To (s − so) La exergía termomecánica es una función de estado, la variación sólo depende del estado inicial y final del proceso y por ello puede establecerse una ecuación de balance de exergía. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 3: ANÁLISIS EXERGÉTICO [4/14]
  • 35. ANÁLISIS EXERGÉTICO Balance de exergía termomecánica Se analiza la máxima cantidad de trabajo que se puede obtener de: • De la energía mecánica • Del calor • Del flujo AMMT UMH. TEN LECCIÓN 3: ANÁLISIS EXERGÉTICO [5/14] ANÁLISIS EXERGÉTICO Balance de exergía termomecánica E XERGÍAS DE LAS ENERGÍAS CINÉTICA Y POTENCIAL En el caso de las energías cinética y potencial toda la energía puede ser exergía, contabilizada a partir de un estado muerto donde la velocidad sea nula y la cota de referencia (z = 0) esté definida. Exergía de la energía cinética: exec = ec = c2 /2 Exergía de la energía potencial: exep = e p = g z AMMT UMH. TEN LECCIÓN 3: ANÁLISIS EXERGÉTICO [6/14]
  • 36. ANÁLISIS EXERGÉTICO Balance de exergía termomecánica E XERGÍA DEL TRABAJO El trabajo realizado por un sistema no siempre es útil. El trabajo de frontera Walr realizado para expulsar el aire atmosférico viene dado por. Walr = po (Vo −V ) La transferencia de exergía por trabajo es directamente el trabajo que se realiza sobre el sistema. Exw = Wu = W −Walr = W − po(Vo −V ) El ejemplo típico en la termodinámica de la expansión de un gas en un pistón, parte del trabajo realizado por el gas se emplea para empujar el aire atmosférico. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 3: ANÁLISIS EXERGÉTICO [7/14] ANÁLISIS EXERGÉTICO Balance de exergía termomecánica E XERGÍA DEL CALOR Para evaluar la máxima cantidad de trabajo que se puede obtener del calor se supone que se instala un ciclo de Carnot entre este sistema y el estado muerto a po y to . La transferencia de exergía por transferencia de calor está asociada a la temperatura del sistema. El máximo trabajo que se puede realizar mediante calor viene dado por el rendimiento de Carnot y depende de la temperatura de los focos caliente y frío. ExQ = 1 − To Q T En el caso de que la transferencia de calor Q se produjera a una temperatura T no uniforme, se empleará: ExQ = AMMT UMH. TEN 2 1 1− To dQ T LECCIÓN 3: ANÁLISIS EXERGÉTICO [8/14]
  • 37. ANÁLISIS EXERGÉTICO Balance de exergía termomecánica VARIACIÓN DE EXERGÍA DE UN SISTEMA CERRADO Sistema cerrado que pasa del estado 1 al estado 2 mediante un proceso π Ex2 − Ex1 = (E2 − E1) − To (S2 − S1) + po(V2 −V1) Con la primera ley: E2 − E1 = Q −W Con la segunda ley: S2 − S1 = 2 1 dQ + Sgen T Resultando: Ex2 − Ex1 = 2 1 1− To δQ − [W − po(V2 −V1)] − Exd Tf AMMT UMH. TEN LECCIÓN 3: ANÁLISIS EXERGÉTICO [9/14] ANÁLISIS EXERGÉTICO Balance de exergía termomecánica E XERGÍA DEL FLUJO La exergía de flujo específica es: c2 ex f = (h − ho) − To (s − so) + + g(z) 2 En el caso de despreciar las energías cinética y potencial se obtiene: ex f = (h − ho) − To (s − so) AMMT UMH. TEN LECCIÓN 3: ANÁLISIS EXERGÉTICO [10/14]
  • 38. ANÁLISIS EXERGÉTICO Balance de exergía termomecánica BALANCE DE EXERGÍA DE UN SISTEMA ABIERTO Conservación de la energía en un sistema estacionario 2 2 c − cs ˙ ˙ + g(ze − zs ) 0 = Q − W + m (he − hs ) + e ˙ 2 Segundo principio: 0= ˙ dQ ˙ + Sgen + m (se − ss ) T La ecuación de la exergía para sistemas abiertos en flujo estacionario resulta: 0= 1− To c2 − c2 s ˙ ˙ d Q j − W + m (he − hs ) − To(se − ss ) + e ˙ + g(ze − zs) − Exd Tj 2 AMMT UMH. TEN LECCIÓN 3: ANÁLISIS EXERGÉTICO [11/14] ANÁLISIS EXERGÉTICO Balance de exergía termomecánica BALANCE DE EXERGÍA DE UN SISTEMA ABIERTO La variación de la exergía del flujo es el término c2 − c2 s + g(ze − zs ) m (he − hs) − To (se − ss) + e ˙ 2 En el caso de despreciar las energías cinética y potencial se obtiene: exe − exs = (he − hs) − To (se − ss ) En el caso de una entrada y una salida, la ecuación del balance de exergía termomecánica resulta: 0 = ∑ 1− j AMMT UMH. TEN To ˙ ˙ ˙ ˙ Q j − Wvc + m(exe − exs) − Exd Tj LECCIÓN 3: ANÁLISIS EXERGÉTICO [12/14]
  • 39. ANÁLISIS EXERGÉTICO Rendimiento exergético Del análisis exergético se obtiene: Exe : flujo de exergía entrante Exu: flujo de exergía útil Exr : flujo de exergía recuperable Ex p: flujo de exergía perdido Una definición de rendimiento exergético sería: ηex = flujo de exergía utilizado flujo de exergía consumido Rendimiento exergético: ηex = Exr + Ex p Exu = 1− Exe Exe Factor de calidad: Ex p Exu = 1− νex = Exe − Exr Exe − Exr AMMT UMH. TEN LECCIÓN 3: ANÁLISIS EXERGÉTICO [13/14] ANÁLISIS EXERGÉTICO Bibliografía 1. Agüera J., 1999, capítulo 3. 2. Gómez, J.L., Monleón, M., Ribes, A., 1990, capítulos 1 a 8. 3. Moran, M.J., Shapiro, H.N., 2004, capítulo 7. 4. Cengel, Y.A y Boles, M.A., 2002, capítulo 7. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 3: ANÁLISIS EXERGÉTICO [14/14]
  • 40. LECCIÓN 4. Combustibles Índice de Contenidos: 3.1 3.2 3.3 3.4 Clasificación de los combustibles Combustibles naturales Combustibles artificiales comerciales Propiedades del los combustibles Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [1/22] COMBUSTIBLES Objetivos de la lección OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE LA LECCIÓN Al finalizar la lección, el estudiante deberá ser capaz de: 1. Conocer los combustibles naturales y artificiales convencionales 2. Conocer la explotación del carbón, petróleo y gas natural 3. Conocer las propiedades más importantes de los combustibles artificiales AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [2/22]
  • 41. COMBUSTIBLES Introducción Los combustibles suponen actualmente el 80 % de la energía primaria consumida en España Consumos de energía primaria mediante combustibles en España: 52 % petróleo, 13 % gas natural y 15 % carbón. Consumos de energía final mediante combustibles en España: 61 % derivados del petróleo, 14 % gas natural y 3 % carbón. En el año 2000, el 65 % de la energía final consumida por la industria española fue a partir de combustibles: Consumos industriales de combustibles: 24 % productos petrolíferos, 38 % gas natural y 3 % carbón. Además la industria consume el 30 % de la energía eléctrica, (60 % producida en centrales térmicas que queman combustibles fósiles). AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [3/22] COMBUSTIBLES Clasificación de los combustibles TIPO Sólido COMB. NATURALES Biomasa (madera, res. vegetales) Turbas Lignitos Hullas Antracitas Líquido Crudo de petróleo Gaseoso Gas natural AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA COMB. ARTIFICIALES Coque y menudos de coque Alquitrán de carbón Carbón molido/pulverizado Carbón vegetal Corteza, serrín, etc. Briquetas y aglomerados Gasolina Keroseno Gasóleos A, B y C Fuelóleos n◦ 1, n◦ 2, y BIA Gas de refinería Gas de horno de coque y alto Gas pobre, gas de agua Gas de gasógeno Gas de regenerador G.L.P.’s (butano, propano) LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [4/22]
  • 42. COMBUSTIBLES El Carbón. Características Combustible fósil de origen vegetal, formado a partir de los restos de grandes extensiones de bosques, arbustos y plantas de hace 250 a 450 millones de años. Estos restos quedaron enterrados y bajo la acción biológica en determinadas condiciones de presión y temperatura forman los actuales yacimientos de carbón. El proceso de carbonización es, en términos químicos, un enriquecimiento progresivo del contenido en carbono. El proceso de carbonización aumenta con la presión, la temperatura y el tiempo, en un proceso anaeróbico en el cual se produce una pérdida de oxígeno y un incremento de la aromatización. Todos los carbones, independientemente de su origen, edad o tipo, se pueden agrupar según su contenido en carbono, y forman la denominada serie del carbón: Turba ⇒ Lignito ⇒ Hulla Subbituminosa ⇒ Hulla Bituminosa ⇒ Antracita. LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [5/22] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA COMBUSTIBLES Composición de los distintos tipos de carbón natural Combustible Antracita Bituminoso Alta Volatilidad Bituminoso Media Volatilidad Bituminoso Baja Volatilidad Subbituminoso A Subbituminoso B Subbituminoso C Lignitos Turbas Madera C H O N S ( % Peso) ( % Peso) ( % Peso) ( % Peso) ( % Peso) 93,7 2,4 2,4 0,9 0,6 AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 90,5 4,7 2,8 1,3 0,7 88,4 5,0 4,1 1,7 0,8 76,4 75,8 75,3 73,7 70,2 55,0 49,9 5,3 5,3 5,1 5,3 5,6 6,0 6,0 15,8 15,5 17,4 19,1 20,8 30,0 43,9 1,6 1,9 1,5 1,3 1,4 1,0 0,2 0,9 1,5 0,7 0,6 2,0 1,3 - LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [6/22]
  • 43. COMBUSTIBLES El carbón. Consideraciones a tener en cuenta Fuente de energía fósil más antigua y sus reservas estimadas de 200 años. El carbón constituyó el 15 % de la energía primaria consumida en España en el año 2001, con un grado de autoabastecimiento del 40 %. El coste de explotación del carbón depende fundamentalmente de las características de la mina de explotación. En muchos casos los costes de explotación hacen inviables la explotación de ciertos yacimientos, cuyas reservas sólo serán utilizables cuando suban considerablemente los precios. La combustión del carbón ha sido tradicionalmente muy contaminante siendo responsable de fuertes contaminaciones en ciudades y lluvias ácidas. En la actualidad los aspectos medioambientales son muy importantes y el nivel de azufre en el carbón debe estar limitado a ciertos valores. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [7/22] COMBUSTIBLES El petróleo. Introducción El crudo de petróleo se forma a partir de animales y plantas terrestres y marinas. Este material se licúa en las denominadas rocas madre y posteriormente se acumula en los poros de las denominadas rocas almacén. El crudo se forma durante un millón de años en las rocas madre en unas condiciones de temperatura y presión producidas a profundidades entre 1 y 4 km. La composición del petróleo varía de forma significativa entre distintos yacimientos, e incluso en un mismo yacimiento. Las propiedades del crudo son asimismo muy variables. La extracción del petróleo se realiza desde 1859, tradicionalmente en tierra firme, aunque comienza a tener importancia creciente la perforación en el mar. El transporte se realiza mediante oleoductos y buques petroleros cuando se transporta el petróleo entre continentes. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [8/22]
  • 44. COMBUSTIBLES Tipos de crudo de petróleo Tipo de Crudo Características 1. Convencional o crudo ligero ρ < 934 kg/m3 (> 20◦ API) 2. Crudo pesado 934 < ρ < 1000 kg/m3 (20◦ a 10◦ API) Viscosidad máxima 10.000 mPa s 3. Crudo extra pesado (p.e. > 340◦C) ρ > 1000 kg/m3 (< 10◦ API) Viscosidad máxima 10.000 mPa s 4. Arenas de alquitrán o asfalto natural (p.e. > 510◦C) ρ > 1000 kg/m3 (< 10◦ API) Viscosidad mayor de 10.000 mPa s AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [9/22] COMBUSTIBLES El petróleo. Consideraciones a tener en cuenta El petróleo es con diferencia la fuente de energía más empleada a nivel mundial. Se trata de un combustible relativamente barato fácil de transportar, almacenar y consumir. El petróleo representó durante 2001 en España algo más del 50 % de la energía primaria consumida y sus derivados el 60 % de la energía final consumida. España tiene una fuerte dependencia de petróleo, cuyo grado de autoabastecimiento es casi nulo. Los inconvenientes del empleo del petróleo son: ◦ Cotización muy variable y suministro dependiente de paises inestables. ◦ Necesidad de garantizar el suministro almacenando crudo. ◦ Participación elevada en la estructura de la demanda energética nacional: fuerte dependencia. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [10/22]
  • 45. COMBUSTIBLES El gas natural. Introducción El gas natural es una mezcla de hidrocarburos gaseosos formado principalmente por metano y en menor medida etano y propano. El gas natural se encuentra bien junto al crudo en campos asociados o independientemente. En principio el gas natural de los campos asociados a petróleo, el gas natural es reinyectado, destruido o licuado. El gas natural ha sido considerado durante mucho tiempo como un combustible menos rico que el petróleo debido a las dificultades de aprovechamiento: separación del petróleo en campos asociados y en todo caso transporte en estado gaseoso mediante gaseoductos o en estado líquido a menos de 115 K. El 3 % del gas natural asociado extraido se quema, aunque cabe decir que en los últimos años existe una creciente tendencia a reinyectarlo o aprovecharlo. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [11/22] COMBUSTIBLES El gas natural. Composición Componentes Metano Etano Propano Butanos Pentanos Dióxido de C Nitrógeno Símbolo Libia A. Saudí Irán M. Norte Medio CH4 66,8 62,24 74,9 85,9 86,0 C2 H6 19,4 15,07 13,0 8,1 7,6 9,1 6,64 7,2 2,7 2,4 C3 H8 C4 Hx 3,5 2,40 3,1 0,9 1,0 1,2 1,12 1,5 0,3 C5 Hx CO2 9,20 0,3 1,6 0,5 3,0 N2 AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [12/22]
  • 46. COMBUSTIBLES El gas natural. Consideraciones a tener en cuenta Bajo contenido en azufre. Permite una menor temperatura de los humos de escape, mejorando el rendimiento. Excelente mezcla con el aire que permite trabajar con bajo exceso de aire (mejor rendimiento). Además se producen niveles muy reducidos de óxidos de nitrógeno. Cuando la combustión se realiza correctamente, los humos no tienen efectos nocivos sobre los productos a calentar, por lo que es posible utilizarlos directamente. Hay una práctica ausencia de cenizas que permite mantener limpias las superficies de intercambio, mejorando el rendimiento. Se reduce asimismo el mantenimiento y se prolonga la vida de los refractarios. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [13/22] COMBUSTIBLES Combustibles comerciales. Tipos Se van a describir los combustibles más utilizados para su combustión en una planta industrial como fuente de energía final. Estos combustibles son: Combustibles sólidos: carbón pulverizado. Combustibles líquidos: fuelóleos n◦ 1, n◦ 2, y BIA, gasóleo C. Combustibles gaseosos: gas natural y propano comercial. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [14/22]
  • 47. COMBUSTIBLES Combustibles sólidos: carbón pulverizado Carbón natural al que se le han realizado los siguientes tratamientos: ◦ ◦ ◦ ◦ Reducción y control del tamaño. Tamaño uniforme de 20-25 mm. Limpieza. Eliminación de materia mineral extraña. Secado. Cantidad de agua limitada al 1 %. Pulverización. Molienda hasta tamaño de grano inferior a 0,02 mm. En aplicaciones de baja potencia el carbón pulverizado se quema en hogares provistos de parrillas mecánicas y alimentación en contínuo mediante cintas transportadoras desde los silos de almacenamiento. Combustión del carbón pulverizado en quemadores de forma similar a la combustión de combustibles líquidos o gaseosos. Gran superficie en contacto con el aire, obteniéndose una combustión más rápida lo que requiere menor exceso de aire con la consiguiente reducción de pérdidas energéticas en los gases de escape. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [15/22] COMBUSTIBLES Combustibles líquidos: Gasóleos y Fuelóleos Gasóleo A. Carburante indicado para la utilización en los motores diésel de combustión interna (automóviles y vehículos industriales). Este gasóleo soporta unos impuestos elevados. Gasóleo B. Carburante indicado para tractores y máquinas que utilizan los profesionales del campo así como para combustible en embarcaciones dedicadas a las labores de pesca. Gasóleo C. Carburante para calefacción. Indicado asimismo para aplicaciones industriales. Fuelóleo n◦1. Fuelóleo con una viscosidad cinemática a 100◦C de 25 mm2/s y un contenido máximo de azufre del 2,7 %. Se comercializa asimismo con la etiqueta ”BIA” que supone limitar el contenido de azufre al 1 %. Fuelóleo no2. Fuelóleo con una viscosidad cinemática a 100◦C de 37 mm2/s y un contenido máximo de azufre del 3,5 %. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [16/22]
  • 48. COMBUSTIBLES Combustibles gaseosos: GLP’s y gas natural GLP’s. En aplicaciones industriales se emplea principalmente el propano comercial constituido por: C3H8 (92 %), butano C4H10 (4 %), etano C2 H6 (2 %) y nitrógeno N (2 %). Los consumos de este producto se reparten en distribución a granel (30 %) y envasado (70 %). Gas natural. Constituido por: propano C3 H8 (2,4 %), butano C4H10 (1 %), etano C2H6 (7,6 %), metano CH4 (86 %), y nitrógeno N (3 %). El gas natural presenta la ventaja de carecer prácticamente de resíduos. El suministro de gas natural se realiza canalizado donde únicamente de debe instalar una estación de regulación y medida (ERM), evitándose la instalación de depósitos de almacenamiento. ◦ Desarrollo de infraestructuras de transporte y distribución. ◦ Sustitución de combustibles en industriales y centrales térmicas. ◦ Construcción de una gran cantidad de nuevas centrales de ciclo combinado. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [17/22] COMBUSTIBLES Propiedades: I Composición Composición en peso de combustibles líquidos comerciales ( % peso). Composición Gasóleo C Fuelóleo no 1 Fuelóleo no 2 Carbono C 86,0 % 84,6 % 83,7 % Hidrógeno H 11,1 % 9,70 % 9,2 % Nitrógeno N 1% 1% 1% Azufre S 0,8 % 2,7 % 3,6 % Agua H2 O 1% 1,5 % 2% Cenizas 0,1 % 0,5 % 0,5 % Composición en volumen de combustibles gaseosos comerciales ( % vol). Composición Propano Gas Natural Metano CH4 86 % 2,0 % 7,6 % Etano C2H6 Propano C3H8 92,0 % 2,4 % 1,0 % Butano C4H10 4,0 % Nitrógeno N2 2,0 % 3,0 % AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [18/22]
  • 49. COMBUSTIBLES Propiedades: II Poder Calorífico El Poder Calorífico es el calor cedido por unidad de combustible. Poder calorífico superior (PCS). Es el poder calorífico determinado en un calorímetro, donde el vapor de agua producido en la combustión se condensa cediendo aproximadamente 2510 kJ/kg, 600 kcal/kg. Poder calorífico inferior (PCI). Es el poder calorífico determinado en un calorímetro, donde el vapor de agua no condensa. Este poder calorífico se emplea normalmente en aplicaciones como calderas u hornos donde la temperaturas de los gases de escape suele estar por encima de 150◦C y el vapor de agua no condensa. Poder calorífico inferior seco (PCI)s . Es la cantidad de calor correspondiente al peso de combustible seco contenido en 1 kg de producto combustible, expresado en PCI en las condiciones en que se introduce en el hogar de combustión. Poder calorífico superior seco, (PCS)s . Tambien denominado poder calorífico útil, es la cantidad de calor que resulta de restar del poder calorífico inferior, el calor necesario para evaporar la humedad del combustible. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [19/22] COMBUSTIBLES Propiedades: III Parámetros de la combustión Temperatura de inflamación Es la temperatura del combustible a la que se inflaman por primera vez los vapores emitidos por el combustible al ponerse en contacto con una llama. Temperatura de combustión Es la temperatura del combustible, superior a la de inflamación a la que se produce la combustión de los vapores del combustible, al menos durante 5 segundos, al ponerse en contacto con una llama. Límites de inflamabilidad Proporciones relativas de combustible y comburente deben estar cercanas a la relación de la proporción estequiométrica. Siendo L el porcentaje de combustible en la mezcla combustible comburente, se define: ◦ Límite inferior de inflamación Li , por debajo del cual no existe suficiente combustible para realizarse la combustión. ◦ Límite superior de inflamación Ls , por encima del cual no existe suficiente comburente. Por tanto la combustión únicamente se realiza si Li < L < Ls . Los de inflamabilidad dependen de la temperatura y presión de la mezcla así como de la presencia de gases inertes y vapor de agua. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [20/22]
  • 50. COMBUSTIBLES Características de los combustibles gaseosos Gas Símbolo Hidrógeno Metano Etano Propano Butano Pentano Benceno Propano comercial Gas natural H2 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H6 AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA P.C.S. P.C.I. Peso esp. 3 N kcal/m3 N kg/m3 N kcal/m 3050 2570 0,090 9530 8570 0,717 16 860 15 400 1,356 24 350 22 380 2,019 31 800 29 300 2,703 40 600 37 500 3,458 36 220 34 740 3,581 23 957 20 700 1,85 10 347 9300 0,83 LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [21/22] Lección 4. Combustibles Bibliografía Molina L.A. y Molina, G.M. (1993), capítulo 7. Barquin, J. (2004), capítulos 3, 4 y 5. Lapuerta, M. y Hernández, J.J. (1998), capítulos 2 y 3. Miranda A.L. y Oliver R. (1996), capítulo 1. Bermúdez, V. (2000), Tecnología Energética. ISBN: 84-7721-868-4, Servicio de publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 4: COMBUSTIBLES [22/22]
  • 51. LECCIÓN 5. APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA 1. Elección de la energía 2. Aprovisionamiento de energía eléctrica 3. Aprovisionamiento de gas natural 4. Aprovisionamiento de productos derivados del petróleo 5. Costes energéticos Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [1/18] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA APROVISIONAMIENTO Objetivos de la lección OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE LA LECCIÓN Al finalizar la lección, el estudiante deberá ser capaz de: 1. Conocer los factores a tener en cuenta en la elección de los vectores energéticos 2. Conocer el funcionamiento del sector eléctrico 3. Conocer el funcionamiento del sector gasístico y de hidrocarburos AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [2/18]
  • 52. APROVISIONAMIENTO Introducción al aprovisionamiento energético • El aprovisionamiento energético analiza los distintos factores a considerar para seleccionar la energía más adecuada. • Las soluciones a adoptar para garantizar el suministro pueden ser: almacenamiento, duplicación de fuentes o aumento de la disponibilidad. – Aprovisionamiento de Combustibles. ∗ Sólidos. Carbón, residuos forestables agrícolas e industriales. ∗ Líquidos. Gasóleo C, Fuelóleos no 1, no2 y BIA. ∗ Gases. Gas natural, GLP (butano y propano). – Aprovisionamiento de Energía Electrica. ∗ De terceros con contrato a tarifa regulada. ∗ De terceros mediante contrato negociado en el mercado eléctrico. ∗ Autoproducción mediante cogeneración o energías renovables. LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [3/18] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA APROVISIONAMIENTO Elección de combustibles y electricidad • Disponibilidad de suministro. La fiabilidad del aprovisionamiento se consigue mediante un almacenamiento de combustible en las propias instalaciones de la industria en función de la fiabilidad del suministro exterior. • Condiciones de suministro. Depende fundamentalmente del combustible. El tipo de combustible y la forma de suministro obliga a disponer de unas determinadas instalaciones de almacenamiento, tratamiento y manipulación. • Costes actuales y tendencia de los precios. El coste engloba las instalaciones de manipulado, almacenamiento y tratamiento necesarias, así como el coste de mantenimiento y tratamiento. El precio de los combustibles es un dato conocido en la actualidad pero muy difícil de estimar a medio o largo plazo. • Potencial contaminante. De menor a mayor potencial contaminante se puede realizar el siguiente orden: gas natural, GLP, biogás, gasóleos, fuelóleos, biomasa, carbón y residuos sólidos industriales. • Riesgos de almacenamiento y manipulación. De mayor a menor: combustibles gaseosos, líquidos y sólidos. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [4/18]
  • 53. APROVISIONAMIENTO Mercado eléctrico. Ley 94/1997 1. Se abandona la noción de servicio público, tradicional en nuestro ordenamiento, donde el Estado no se reserva el ejercicio de ninguna de las actividades que integran el suministro eléctrico. La misión del Estado es la regulación del sector eléctrico para que funcione bajo los principios de objetividad, transparencia y libre competencia. 2. Se liberaliza el sector eléctrico para lo cual se realiza una segmentación vertical de las distintas actividades necesarias para el suministro eléctrico: producción, transporte, distribución y comercialización. 3. La producción de energía eléctrica se desarrolla en un régimen de libre competencia basado en un sistema de ofertas de energía eléctrica realizadas por los productores y un sistema de demandas. 4. El transporte y la distribución se liberalizan a través de la generalización del acceso de terceros a las redes. La propiedad de las redes no garantiza su uso exclusivo siendo fijada administrativamente la retribución del transporte y la distribución. 5. Se liberaliza la comercialización de la energía eléctrica de forma que todos los consumidores son cualificados, esto es, que pueden pactar libremente las condiciones contractuales (precio, suministro, etc.,) con una empresa comercializadora. LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [5/18] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA APROVISIONAMIENTO Mercado eléctrico. Sujetos (I) 1. Productores de energía eléctrica en régimen ordinario. Tienen la función de generar energía eléctrica, así como las de construir, operar y mantener las grandes centrales de producción. 2. Productores de energía eléctrica en régimen especial. Emplean centrales de producción de menor tamaño, que utilizan en general combustibles renovables (hidráulica, eólica o solar) o forman parte de procesos de recuperación de energía (autoproductores). 3. Importadores. Quienes adquieren energía eléctrica de sistemas exteriores incorporándola a las redes de transporte y distribución nacional. 4. El operador del mercado (OMEL). Sociedad mercantil responsable de la gestión económica del sistema. 5. El operador del sistema (REE). Sociedad mercantil responsable de la gestión técnica del sistema. Desarrolla actividades de gestión técnica y de transporte con la adecuada separación contable. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [6/18]
  • 54. APROVISIONAMIENTO Mercado eléctrico. Sujetos (II) 6. Los transportistas. Son aquellas sociedades mercantiles que tienen la función de transportar energía eléctrica, así como construir, mantener y maniobrar las instalaciones de transporte (tensiones iguales o superiores a 220 kV). 7. Los distribuidores. Son aquellas sociedades mercantiles que tienen la función de distribuir energía eléctrica, así como construir, mantener y operar las instalaciones de distribución. 8. Los comercializadores. Son aquellas personas jurídicas que, accediendo a las redes de transporte o distribución, tienen como función la venta de energía eléctrica a los consumidores que tengan la condición de cualificados o a otros sujetos del sistema. 9. Los consumidores. Desde Enero de 2003 todos son consumidores cualificados, pudiendo adquirir la energía eléctrica bien a tarifa regulada o bien pactando libremente las condiciones contractuales (precio, suministro, etc.,) con la empresa comercializadora. 10. Comisión Nacional del Sistema Eléctrico. Actualmente integrada en la Comisión Nacional de la Energía, es el organismo encargado de arbitrar en los conflictos suscitados entre los sujetos del sistema. LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [7/18] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA APROVISIONAMIENTO Funcionamiento del sistema eléctrico Separación de las actividades de: (1) producción (2) transporte, (3) distribución y (4) comercialización de electricidad. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [8/18]
  • 55. APROVISIONAMIENTO Funcionamiento del sistema eléctrico LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [9/18] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA APROVISIONAMIENTO Funcionamiento del sistema eléctrico AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [10/18]
  • 56. APROVISIONAMIENTO Mercado gasístico. Ley 34/1998 1. Se abandona la noción de servicio público por la consideración de actividad de interés general. Se considera que las actividades no requieren de la presencia y responsabilidad del Estado para su desarrollo, reservándose la misión del Estado de la regulación del sector. 2. Para velar por la seguridad y continuidad de suministro, se justifica las obligaciones de mantenimiento de existencias mínimas de seguridad que afectan a los productos petrolíferos y al gas. 3. Se liberaliza el sector gasístico realizándose una segmentación al menos contable de las distintas actividades: regasificación, el almacenamiento, transporte, distribución y comecialización. La regasificación, el almacenamiento estratégico, el transporte y la distribución tienen carácter de actividades reguladas, mientras que la comercialización se ejercerá libremente. 4. Los consumidores podrán adquirir el gas a los comercializadores en condiciones libremente pactadas o directamente, o bien adquirirlo a los distribuidores en régimen de tarifa. LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [11/18] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA APROVISIONAMIENTO Mercado gasístico. Sujetos 1. Los transportistas. Son aquellas personas jurídicas titulares de instalaciones de almacenamiento, regasificación o gasoductos de transporte (Pmax ≥ 16 bar). • Red básica. Gaseoductos de presión máxima de diseño Pmax ≥ 60 bar, plantas de regasificación. • Redes de transporte secundario. Gasoductos de Pmax = 16 − 60 bar. 2. El Gestor Técnico del Sistema. Será aquel transportista que sea titular de la mayoría de las instalaciones de la red básica de gas natural. Actualmente ENAGAS 3. Los distribuidores. Son aquellas personas jurídicas titulares de instalaciones de distribución (presión menor o igual de 16 bares o que alimenten a un sólo consumidor). 4. Los comercializadores. Son las sociedades mercantiles que, accediendo a las instalaciones de terceros, adquieren el gas natural para su venta a los consumidores o a otros comercializadores. 5. Los consumidores. Todos los consumidores son actualmente "cualificados", teniendo la posibilidad de elegir entre adquirir el gas a su distribuidor a la tarifa establecida reglamentariamente, o adquirir el gas a cualquier comercializador. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [12/18]
  • 57. APROVISIONAMIENTO Funcionamiento del sistema gasístico Separación de las actividades similar al del sistema eléctrico LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [13/18] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA APROVISIONAMIENTO Funcionamiento del sistema gasístico AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [14/18]
  • 58. APROVISIONAMIENTO Funcionamiento del sistema gasístico LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [15/18] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA APROVISIONAMIENTO Sector de los hidrocarburos líquidos 1. Explotación y producción. La producción de petróleo en España es muy reducida (≈ 0, 5%). 2. Refino. Se trata de una actividad liberalizada definida como el conjunto de procesos que convierten el crudo en productos terminados. REPSOL-YPF (58% del Mercado) CEPSA (32% del Mercado), BP (10% del Mercado). 3. Logística. Almacenamiento y transporte de crudo y productos petrolíferos desde los centros de producción hasta los puntos de consumo. Se distingue entre la logística básica: buques tanque y la red de poliductos (CLH) y la capilar: Camiones cisterna. 4. Almacenamiento Estratégico. La constitución, mantenimiento y gestión de las reservas estratégicas se realiza a través de la corporación de reservas estratégicas (CORES). 5. Distribuidores al por menor de productos petrolíferos. Se trata de una actividad que consiste en el conjunto de actividades destinadas al suministro de los productos derivados del petróleo al consumidor final. Se contemplan dos canales de distribución: • Estaciones de servicio (gasolinas y gasóleo A). • Ventas directas (gasóleo A, B y C, querosenos y fuelóleos). LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [16/18] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA
  • 59. APROVISIONAMIENTO Sector de gases licuados del petróleo (GLP’s) Sector que presenta ciertas características que lo hacen realmente peculiar: • Consumo estancado y previsiones de futuro a la baja debido a la extensión del gas natural. • Precios máximos fijados administrativamente para el GLP envasado de peso superior a 8 kg y para el GLP canalizado. El PVP en España es el más bajo de la UE, a pesar de incluir el reparto a domicilio. • Sólo dos operadores con presencia en todo el territorio nacional, donde REPSOL BUTANO es la compañía líder con una cuota del 93 % del envasado y del 85% en granel. Se trata por tanto de un contexto adverso para la entrada de más compañías operadoras que harían que el sector se rigiera por las reglas de la pura competencia empresarial. Todo indica por tanto que al menos a medio plazo seguirán estableciéndose precios máximos. LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [17/18] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA APROVISIONAMIENTO Bibliografía Esquerre Pizá, P. (1988), Dispositivos y Sistemas para el Ahorro de Energía. ISBN: 84-267-0722-x, Marcombo. Miranda Barreras, A. L., Oliver Pujol, R., (1996), La combustión. ISBN: 84-329-6550-2, Ediciones CEAC. Bermúdez, V. (2000), Tecnología Energética. ISBN: 84-7721-868-4, Servicio de publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 5: APROVISIONAMIENTO DE ENERGÍA [18/18]
  • 60. LECCIÓN 6. TERMOECONONOMÍA Índice de Contenidos: 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 Introducción Cálculo de costes Actualización de costes Herramientas de evaluación económica Cálculo de costes de productos energéticos Gestión energética en la industria Contabilidad energética Auditoría energética Proyectos energéticos Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [1/37] TERMOECONOMÍA. GESTIÓN ENERGÉTICA Objetivos Conocer la formulación necesaria para realizar estudios de viabilidad económica Determinar la viabilidad económica de proyectos de ahorro energético Realizar cálculos de costes de productos energéticos Conocer los consumos y usos de las distintas fuentes de energía Plantear mejoras energéticas sin apenas inversiones, demostrando las posibilidades de la gestión energética Lograr ahorros energéticos con inversiones rentables que se paguen por sí mismas: propuesta de proyectos energéticos AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [2/37]
  • 61. TERMOECONOMÍA Introducción Se trata de una herramienta que combina los principios de la Ingeniería Térmica y de la Economía. Permite tomar decisiones racionales en el desarrollo y aplicación de sistemas térmicos. Puede aplicarse directamente a los análisis energéticos sin considerar los aspectos de potencial de producir trabajo, pero en este caso el análisis no es completo. Lo correcto es introducir el concepto de exergía o disponibilidad, ponderando conjuntamente pérdidas e irreversibilidades. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [3/37] TERMOECONOMÍA Cálculo de costes Estructura típica de costes de una instalación energética: Costes fijos. No cambian con la cantidad producida: gastos de amortización, intereses, alquileres, seguros ,impuestos, mantenimiento, gestión. Costes variables. Por simplicidad se suelen asumir lineales con la cantidad de producto: energía (eléctrica y combustibles) mano de obra, transporte, almacenamiento, parte variable de mantenimiento y gestión. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [4/37]
  • 62. TERMOECONOMÍA Costes fijos Costes fijos en proyectos energéticos: Amortización Impuestos Mantenimiento Gestión AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [5/37] TERMOECONOMÍA Costes Variables Costes variables en proyectos energéticos: Materiales Energía Mantenimiento AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [6/37]
  • 63. TERMOECONOMÍA Actualización de costes Parámetros a considerar: Intereses. Tasa anual i por disponer de un capital ajeno para realizar las adquisiciones iniciales Inflación. Tasa de aumento en el tiempo (anual) I del valor medio de bienes y servicios Prima de riesgo. Aplicación de una tasa adicional por riesgo Rentabilidad exigida a una inversión cuando hay inflacción: i = i + I(1 + i) Rentabilidad exigida a una inversión cuando hay inflacción y se considera la prima de riesgo r: k = i + I(1 + i) + r donde k es la rentabilidad exigida, tipo calculatorio o tipo de actualización AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [7/37] TERMOECONOMÍA Actualización de costes VALOR ACTUAL DE UNA INVERSIÓN El valor actual indica el valor de hoy de una inversión a recibir en el futuro. VA = VF (1 + i)n V F es el valor futuro de la inversión, n el número de años de la inversión (1,2,...,n) e i la tasa de descuento. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [8/37]
  • 64. TERMOECONOMÍA Actualización de costes COSTE ANUALIZADO DE UN PROYECTO ENERGÉTICO ˙ C = Co −VAn(V Rm) + m ∑ VAn(Cn) FRCm n=1 Co es la inversión inicial de los bienes de equipo V Rm es el valor residual de los bienes de equipo al cabo de m años V Rm = Co(1 − D)m Cn son los costes variables asociados a las actividades en el año n VAn (x) es el valor actual de un coste asumido n años despues con la tasa de interés i FRC es el factor de recuperación de capital: FRC = 1 1 − (1 + i)−n AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [9/37] TERMOECONOMÍA Herramientas de evaluación económica PARÁMETROS DE PRIMER ORDEN O ESTÁTICOS Criterio del flujo de caja por unidad monetaria comprometida Se calcula la rentabilidad r de un proyecto comparando el flujo neto de caja total con la cantidad inicial que requiere la inversión. ∑n Fi i=1 I El parámetro r debe ser mayor que 1. Cuanto mayor sea r más rentable será la inversión. r= Criterio del plazo de recuperación o pay-back Se trata de uno de los criterios más utilizados; calcula el número de años que tarda en recuperar una inversión. Si los flujos de caja son constantes: F1 = F1 = ... = Fn = F, el pay-back, P, será T RS = I F AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [10/37]
  • 65. TERMOECONOMÍA Herramientas de evaluación económica PARÁMETROS DE SEGUNDO ORDEN O DINÁMICOS Valor Actual Neto (VAN) n F1 Fi F2 Fn VAN = −I + + + ... + = −I + ∑ n i 1 2 (1 + k) (1 + k) (1 + k) i=1 (1 + k) donde I es la inversión inicial, Fn es el flujo de caja producido por el ahorro correspondiente al año n. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [11/37] TERMOECONOMÍA Herramientas de evaluación económica PARÁMETROS DE SEGUNDO ORDEN O DINÁMICOS Tasa Interna de Retorno (TIR) Se define como la tasa de descuento o tipo de interés que iguala el VAN a cero. VAN = −I + [A1/(1 + i)1 ] + [A2/(1 + i)2] + ... + [An/(1 + i)n ] = 0 AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [12/37]
  • 66. TERMOECONOMÍA Cálculo de costes de productos energéticos ENERGÍA. UNA SALIDA (PRODUCTO) Y UNA ENTRADA (COSTE) ˙ ˙ ˙ C prod = Ccomb + Csis Los costes se pueden basar en la energía o en la disponiblidad (exergía) ˙ Coste anual del producto, C prod = c prod E prod ˙ Coste anual del combustible, Ccomb = ccomb Ecomb ˙ Coste anual de crear y mantener el sistema, Csis Considerando una eficiencia energética (rendimiento): η= E prod Ecomb c prod = Csis ccomb + η E prod AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [13/37] TERMOECONOMÍA Cálculo de costes de productos energéticos EXERGÍA. UNA SALIDA (PRODUCTO) Y UNA ENTRADA (COSTE) ˙ ˙ ˙ C prod = Ccomb + Csis Los costes se pueden basar en la energía o en la disponiblidad (exergía) ˙ Coste anual del producto, C prod = c prod Ex prod ˙ Coste anual del combustible, Ccomb = ccomb Excomb ˙ Coste anual de crear y mantener el sistema, Csis Considerando una eficiencia exergética: ε= Ex prod Excomb c prod = Csis ccomb + ε Ex prod AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [14/37]
  • 67. TERMOECONOMÍA Cálculo de costes de productos energéticos ENERGÍA. DOS SALIDAS (PRODUCTOS) Y UNA ENTRADA (COSTE) ˙ ˙ ˙ ˙ C prod1 + C prod2 = Ccomb + Csis ˙ c prod1 E prod1 + c prod2 E prod2 = ccomb Ecomb + Csis ˙ ˙ ˙ El producto 1 es trabajo El producto 2 puede se por ejemplo vapor o gases de escape ˙ Coste anual de crear y mantener el sistema, Csis c prod1 = ccomb Ecomb − c prod2 E prod2 Csis ccomb Csis + = + E prod1 E prod1 ηe E prod1 Siendo ηe la eficiencia energética equivalente dada por: ηe = E prod1 Ecomb − E prod2 (c prod2 /ccomb ) AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [15/37] TERMOECONOMÍA Cálculo de costes de productos energéticos EXERGÍA. DOS SALIDAS (PRODUCTOS) Y UNA ENTRADA (COSTE) ˙ ˙ ˙ ˙ C prod1 + C prod2 = Ccomb + Csis ˙ c prod1 Ex prod1 + c prod2 Ex prod2 = ccomb Excomb + Csis ˙ ˙ ˙ El producto 1 es trabajo El producto 2 puede se por ejemplo vapor o gases de escape ˙ Coste anual de crear y mantener el sistema, Csis c prod1 = ccomb Excomb − c prod2 Ex prod2 Csis ccomb Csis + = + Ex prod1 Ex prod1 εe Ex prod1 Siendo εe la eficiencia energética equivalente dada por: εe = Ex prod1 Excomb − Ex prod2 (c prod2 /ccomb ) AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [16/37]
  • 68. GESTIÓN ENERGÉTICA Introducción ”La gestión energética es el conjunto de esfuerzos organizado y estructurado para obtener la máxima eficiencia en suministro, conversión y utilización de la energía” Organización estructurada interesante para empresas con un alto consumo energético. Racionalizar el uso de la energía sin perjuicio para el confort, producción o calidad de servicios. Necesaria especialización del personal propio. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [17/37] GESTIÓN ENERGÉTICA Objetivos de la gestión energética El objetivo principal de la gestión energética es el de aumentar al máximo el rendimiento de la energía que se utiliza: disminuir el consumo de energía por unidad de producto. Otros objetivos: Optimizar la calidad de las energías empleadas. A cada aplicación le corresponde una energía de calidad óptima. Conocer los consumos y usos de las distintas fuentes de energía. Obtener mejoras energéticas sin apenas inversiones, demostrando las posibilidades de la gestión energética. Lograr ahorros energéticos con inversiones rentables que se paguen por sí mismas: propuesta de proyectos energéticos. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [18/37]
  • 69. GESTIÓN ENERGÉTICA Fases de la Gestión Energética AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [19/37] GESTIÓN ENERGÉTICA Fases de la Gestión Energética Fase 1. Planificación de la gestión. Compromiso de la dirección de la empresa, para poner los medios humanos y económicos para iniciar un programa de gestión energética, garantizando su ejecución, calidad y duración con el tiempo. Fase 2. Diagnóstico energético o auditoría. Es la base para el desarrollo del Programa de Ahorro de Energía. El diagnóstico energético contempla: ◦ Realizar una base de datos completa y detallada de los consumos energéticos. • Consumos totales de cada energía. • Datos sobre producción de la empresa así como de las distintas áreas productivas. • Datos sobre costes de los combustibles. ◦ Identificar los procesos productivos o equipos que deben analizarse en profundidad para proponer medidas de ahorro. ◦ Determinar las posibles actuaciones que pueden realizarse para lograr ahorros de energía estableciendo un orden de prioridades en función de la rentabilidad. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [20/37]
  • 70. GESTIÓN ENERGÉTICA Fases de la Gestión Energética Fase 3. Plan de actuación. Se establece a partir del diagnóstico o auditoría energética: ◦ Medidas sin apenas coste de inversión. Pueden realizarse por el personal del departamento de mantenimiento con su presupuesto, p.e. ajuste de la combustión de una caldera. ◦ Inversiones de coste medio. Éstas deberán esperar a la planificación del presupuesto anual para conseguir los recursos necesarios. ◦ Inversiones de alto coste. En este caso se debe contratar a una ingeniería especializada que efectúe un estudio más objetivo, p.e. implementación de un sistema de cogeneración. Fase 4. Implantación de medidas. Los proyectos de ahorro energético están para realizarse. Fase 5. Seguimiento y control. Feedback del impacto real de las medidas de ahorro sobre los costes de producción. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [21/37] GESTIÓN ENERGÉTICA Beneficios de la Gestión Energética Mejora de los niveles de seguridad y salud laboral. La medición y control de los procesos también contribuye a mejorar los niveles de seguridad. Mejora de la competitividad de la empresa. El ahorro energético sirve para mejorar la competitividad de la empresa. Mejora del ambiente interno de la empresa. El ahorro o al menos de no despilfarro de la energía aumenta el optimismo del personal de cara al futuro propio en la empresa. Recompensa al personal. Esfuerzos de conservación y ahorro cooperativos donde el personal debe aportar mucho mediante sugerencias y actuaciones directas. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [22/37]
  • 71. GESTIÓN ENERGÉTICA Organización Empresarial de la Gestión Energética Para implantar un plan de ahorro energético, la empresa deberá elegir entre buscar una asesoría externa o crear una organización dentro de la estructura de la propia empresa. La organización empresarial para la implantación de un Plan de Ahorro Energético en la empresa consiste en la creación de un Comité de Energía y la designación de un Gestor Energético. En empresas de pequeño tamaño únicamente existirá la figura del Gestor Energético. En este caso las actividades de medición y auditoría las suelen realizar empresas consultoras o ingenierías especializadas El Comité de Energía será el responsable de la gestión energética de la industria es decir, del Aprovisionamiento Energético, de la Contabilidad Energética y del Plan de Ahorro. El Comité de Energía deberá estar formado por personas pertenecientes a los distintos departamentos de la empresa: mantenimiento, producción, ingeniería, control de calidad y administración. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [23/37] GESTIÓN ENERGÉTICA Funciones del Comité de la Energía Controlar el aprovisionamiento de energía. Mantener al día los datos de consumo, existencia y compras de productos energéticos. Responsabilizarse de la Contabilidad Energética de la industria: identificar las áreas que requieran de mayor estudio y decidir si estos estudios se realizan con medios propios o mediante una Auditoria externa. Promover las recomendaciones para blackucir o evitar las mayores pérdidas. Encargarse del feedback de resultados, así como de la revisión de planes y objetivos Asesora permanente a los distintos departamentos y a la Dirección sobre cualquier información referente a conservación y empleo eficiente de la energía en la industria. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [24/37]
  • 72. GESTIÓN ENERGÉTICA Medios Humanos y Materiales Necesarios Medios propios. Se trata del personal propio que puede realizar trabajos más o menos esporádicos a las órdenes del Gestor Energético. ◦ ◦ ◦ ◦ Efectuar la Contabilidad Energética de la industria. Estudiar la viabilidad técnica y económica de posibles mejoras. Inspeccionar los distintos sistemas energéticos Organizar campañas informativas, cursillos de formación. Medios externos. Se trata de la subcontratación de personal, servicios o equipos externos. Entre los medios externos se puede citar: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ Realización de auditorias energéticas (subcontratación externa). Realización de un mantenimiento especial. Asistencia técnica muy especializada. Aparatos excepcionales de medida para control periódico. Análisis de combustibles AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [25/37] CONTABILIDAD ENERGÉTICA Introducción ”De igual forma que toda empresa tiene implantada su contabilidad económica, las industrias con alto consumo energético deben implantar una contabilidad energética” Contabilidad energética interna. Facturas de electricidad y combustibles, Contadores en equipos de gran consumo. Auditorías Energéticas. Generalmente se trata de un estudio energético detallado realizado por una empresa externa. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [26/37]
  • 73. CONTABILIDAD ENERGÉTICA Objetivos y funciones de la contabilidad energética Objetivos 1. Conocer los consumos globales y consumos específicos, actualmente y su evolución en el tiempo. 2. Ser capaces de asignar adecuadamente los costes energéticos al producto final. 3. Poder comparar los consumos específicos propios con: datos históricos propios, datos estándar tecnológicos, equipos similares de otras industrias o datos sectoriales. Funciones 1. Mantener una estadística de consumos energéticos anuales (consumos globales). 2. Relacionar la energía empleada con la producción (consumos específicos). 3. Controlar de forma sistemática el consumo energético por líneas de producción. 4. Determinar las relaciones entre los diferentes combustibles a efectos de realizar comparaciones energéticas y económicas entre ellos. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [27/37] CONTABILIDAD ENERGÉTICA Sistemas de contabilidad Sistema Simple. En este sistema se contabiliza únicamente la energía consumida por tipo (electricidad y por tipo de combustible). Se trata de un sistema de contabilidad que no tiene en cuenta la producción. Los datos de interés sirven principalmente de comparación con datos históricos. Consumos Específicos Globales. En este sistema se contabiliza tanto la energía consumida como la producción. Se trata de un sistema sencillo y eficaz para estudiar la eficiencia energética. Se calcula la relación entre energía consumida con la producción. Los consumos específicos calculados se comparan con valores históricos, teóricos y estadísticos. Rendimientos. El cálculo de los rendimientos de los equipos requiere de una medidas de diagnóstico distintas del mero cálculo energético. El estudio de rendimientos exige de la realización de materia y energía. Se determina la relación entre las pérdidas energéticas y la energía consumida. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [28/37]
  • 74. CONTABILIDAD ENERGÉTICA Consumo anual y mensual de combustibles PERIODO Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre TOTAL E. ELE. FUELO. GASOL. GAS NAT. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA PROP. BUTA. TOTAL LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [29/37] AUDITORÍA ENERGÉTICA Etapas de la Auditoría Energética Paso 1. Planificación de la auditoría. Se realiza antes de la primera visita de campo, incluye: ◦ ◦ ◦ ◦ Identificación detallada de tareas a realizar. Cronograma de la auditoría. Presupuesto de cada tarea. Posibles medios (p.e. instrumentación) necesaria para realizar las tareas. Paso 2. Recopilación y revisión de datos. Incluye: ◦ Información sobre el funcionamiento de la instalación, incluyendo información sobre tamaño de la planta, líneas de producción e identificación de los principales equipos consumidores de energía. ◦ Producción durante los últimos 12 meses. ◦ Consumos energéticos mensuales durante el último año, costes energéticos. ◦ Proyectos de futuro, cambios de proceso o incrementos en la capacidad de producción. ◦ Copia de las posibles auditorías energéticas realizadas anteriormente. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [30/37]
  • 75. AUDITORÍA ENERGÉTICA Etapas de la Auditoría Energética Paso 3. Completar el trabajo preparatorio. Revisar los siguientes aspectos: ◦ Análisis de la instrumentación a emplear. Verificación de la instrumentación. ◦ Asegurar que los puntos de medida sean accesibles y estén preparados. ◦ Prever que las mediciones no afecten al funcionamiento de la industria. Paso 4. Trabajo de campo y mediciones. Consta de: ◦ Entrevistas. Previamente deben definirse los distintos puntos a tratar. ◦ Inspección de la planta. Verificar información relativa a: • Flujos de materias primas y energía en la planta. • Sistemas de mayor consumo de energía. • Instrumentación fija ya instalada. • Determinar posibilidades evidentes de ahorro de energía. ◦ Mediciones. Toma de datos realizada con instrumentación propia e instrumentación fija implementada en la planta. Ejemplos: análisis de la combustión en calderas y hornos, temperatura de pablackes y tubos, temperaturas de gases de escape y fluidos de producto y servicio, factor de potencia, potencia eléctrica. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [31/37] AUDITORÍA ENERGÉTICA Etapas de la Auditoría Energética Paso 5. Revisión y análisis de datos. Antes de terminar el trabajo en campo, es conveniente revisar los datos recopilados y repetir cualquier serie de medidas donde se encuentren inconsistencias o imprecisiones importantes. Paso 6. Identificación, análisis de mejoras y medidas de ahorro. El análisis de la información obtenida, junto con los datos medidos, deben conducir a la identificación de oportunidades y medidas para el ahorro de energía. Cada oportunidad detectada debe analizarse, estableciéndose su coste de implementación y rentabilidad. Las medidas se clasifican en tres grupos: ◦ Medidas sin apenas coste de inversión. ◦ Inversiones de coste medio. ◦ Inversiones de alto coste. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [32/37]
  • 76. AUDITORÍA ENERGÉTICA Etapas de la Auditoría Energética Paso 7. Revisar conclusiones con personal de la empresa. Las conclusiones realizadas en la auditoría energética deben comentarse con el personal de la empresa para confirmar la disposición de la empresa para llevarlas a cabo. Esta revisión debe realizarse antes de realizar el informe final. Paso 8. Elaborar informe definitivo. El informe de la auditoría energética es el paso final y sumamente importante en la auditoría energética: el informe final es el producto final del Diagnóstico Energético o Auditoría. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [33/37] AUDITORÍA ENERGÉTICA Informe de la Auditoría Energética 1. Introducción 2. Descripción de la instalación Identificación Funcionamiento Proceso productivo Producción 3. Consumos de energía Factores de conversión (se pasa todo a energía primaria) Energía eléctrica Energía térmica Energía total AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [34/37]
  • 77. AUDITORÍA ENERGÉTICA Informe de la Auditoría Energética 4. Análisis de la situación actual Energía eléctrica Energía térmica 5. Propuestas de ahorro Análisis técnico Inversión Amortización Viabilidad Finalmente se puede incluir un punto 0 con un resumen de las conclusiones destinado a la dirección AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [35/37] PROYECTOS ENERGÉTICOS Partes de un proyectos energético La realización del proyecto energético suele tener las siguientes partes: Introducción, objetivos y descripción del proyecto. Se debe realizar un planteamiento inicial del objetivo de ahorro energético buscado. Balance energético y estudio económico de la situación actual. Se deben realizar con datos y medidas fiables y actuales para evitar un planteamiento erróneo desde la base. Balance energético y estudio económico de las distintas alternativas. Deben realizarse con previsiones de costes futuros lo más justificados posible. Conclusiones finales. Propuesta final de la opción recomendada a tomar detallando el ahorro energético y económico, el coste de la inversión y el periodo de amortización. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [36/37]
  • 78. PROYECTOS ENERGÉTICOS Bibliografía Técnicas de Conservación Energética en la Industria. Tomo 2: Ahorro en procesos. Centro de Estudios de la Energía, ISBN: 84-7474-168-8. Esquerre Pizá, P., 1988, Dispositivos y Sistemas para el Ahorro de Energía. ISBN: 84267-0722-x, Marcombo. Molina Igartúa, L.A. y Molina Igartúa, G.,1993, Manual de Eficiencia Energética Térmica en la Industria, Ente Vasco de la Energía, ISBN 84-8129-022-X. Cap 7, pp. 361-404. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 6: TERMOECONOMÍA [37/37]
  • 79. LECCIÓN 7. COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS 7.1 7.2 7.3 7.4 Introducción: aire de combustión y humos Combustión completa de combustibles líquidos y sólidos Combustión completa de combustibles gaseosos Combustión incompleta. Diagramas de Ostwald y Bunte Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. TEN LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [1/25] COMBUSTIÓN O BJETIVOS 1. Escribir el significado de conceptos relacionados con la combustión como: relación aire-combustible, aire estequimétrico y combustión completa 2. Calcular analíticamente el aire mínimo necesario para la combustión completa de un combustible comercial. 3. Calcular analíticamente la composición de los humos en la combustión completa de un combustible comercial. 4. A partir de un análisis de humos y empleando el diagrama de Ostwald, determinar las características y calidad de una combustión. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [2/25]
  • 80. COMBUSTIÓN I NTRODUCCIÓN La combustión es una transformación energética donde se transforma la energía química del combustible en energía térmica bien para su aprovechamiento final o bien para la producción de energía mecánica. A PLICACIONES Aplicaciones domésticas: Calefacción y agua caliente sanitaria. Producción de electricidad en centrales térmicas y de cogeneración. Propulsión en motores alternativos, y turbinas de gas y vapor. Aplicación directa del calor en procesos industriales mediante calderas, hornos ... AMMT UMH. TEN LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [3/25] COMBUSTIÓN I NTRODUCCIÓN La combustión es una reacción química exotérmica de oxidación-reducción entre dos o más sustancias. La combustión comienza mediante la aplicación de una chispa eléctrica o una fuente de calor, realizándose a gran velocidad y manifestándose en forma de llama. Comburente es la sustancia oxidante de la combustión. El comburente más empleado es el oxígeno contenido en el aire (23 % en peso y 21 % en volumen). Combustible es la sustancia reductora de la combustión. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [4/25]
  • 81. COMBUSTIÓN R EACCIONES DE LA COMBUSTIÓN Las reacciones químicas que se emplean para análisis prácticos de la combustión completa de un combustible con aire son las siguientes: C + (O2 + 3,76N2) → CO2 + 3,76N2 CO + 1/2(O2 + 3,76N2) → CO2 + 3,76/2N2 H2 + 1/2(O2 + 3,76N2) → H2 O + 3,76/2N2 S + (O2 + 3,76N2) → SO2 + 3,76N2 CaHb + (a+b/4)(O2 + 3,76N2) → aCO2 + b/2H2O + (a+b/4)3,76N2 El análisis de la combustión se diferencia en Combustibles sólidos y líquidos: Composición en tanto por uno en peso de carbono PC , hidrógeno PH2 , oxígeno PO2 , azufre PS , agua PW y cenizas PA . Combustibles gaseosos: Composición en tanto por uno en volumen (o molar) de hidrógeno [H2 ], anhídrido carbónico [CO], nitrógeno [N2] hidrocarburos [Cai Hbi ], y agua [H2 O]. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [5/25] COMBUSTIÓN PARÁMETROS PARA RELACIÓN AIRE - COMBUSTIBLE Exceso de aire. Exceso de aire = VA real −VA min ó mA real − mA min Coeficiente de exceso de aire n VA real mA real n= ó VA min mA min Relación aire-combustible F VA mA ó F= Vf m f Dosado. Es la relación combustible-aire 1/F Dosado = 1 Vf m f ó = F VA mA Dosado relativo φ φ= AMMT UMH. TEN 1 VA min = n VA real ó mA min mA real LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [6/25]
  • 82. COMBUSTIÓN C OMBUSTIBLES G ASEOSOS C OMBUSTIÓN DE UN HIDROCARBURO CaHb + (a + b/4)O2 + 3,76(a + b/4)N2 → aCO2 + b/2 H2O + 3,76(a + b/4)N2 Volumen de oxígeno mínimo teórico o estequiométrico: VO2 mín = (a + 0,25b) m3 N/m3 N de combustible Volumen de aire mínimo teórico o estequiométrico: VAmín = VO2 mín/0,21 m3N/m3 N de combustible Masa de oxígeno mínimo teórico o estequiométrico: mO2 mín = VO2 mín 32 kg/m3N de combustible 22,4 Masa de aire mínimo teórico o estequiométrico: mA mín = mO2 mín/0,23 kg/m3 N de combustible AMMT UMH. TEN LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [7/25] COMBUSTIÓN C OMBUSTIBLES G ASEOSOS C OMBUSTIÓN DE UNA MEZCLA DE HIDROCARBUROS [H2 ]H2 + 1/2[H2]O2 → [H2 ]H2 O [CO]CO + 1/2[CO]O2 → [CO]CO2 [Cai Hbi ]Cai Hbi + (ai + bi /4)[Cai Hbi ]O2 → ai [Cai Hbi ]CO2 + bi /2[Cai Hbi ]H2 O % Volumen CO 0,00 H2 0,00 CO + 1/2O2 = CO2 m3N/m3N 0,00 kg/m3N 0,00 H2 + 1/2O2 = H2O 0,00 0,00 C1H4 86,0 C1H4+2O2=CO2+2H2O 1,72 2,46 C2H6 7,60 C2H6+3,5O2=2CO2+3H2O 0,27 0,38 C3H8 2,40 C3H8+5O2=3CO2+4H2O 0,12 0,17 C4H10 1,00 C4H10+6,5O2=4CO2+5H2O 0,07 0,09 0,00 0,00 2,17 10,34 3,10 13,33 N2 3,00 Volumen de O2 Volumen de Aire AMMT UMH. TEN LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [8/25]
  • 83. COMBUSTIÓN C OMBUSTIBLES G ASEOSOS C OMBUSTIÓN DE UNA MEZCLA DE HIDROCARBUROS [H2 ]H2 + 1/2[H2]O2 → [H2 ]H2 O [CO]CO + 1/2[CO]O2 → [CO]CO2 [Cai Hbi ]Cai Hbi + (ai + bi /4)[Cai Hbi ]O2 → ai [Cai Hbi ]CO2 + bi/2[Cai Hbi ]H2 O La composición de los humos resulta: VH2O = [H2 ] + bi /2[Cai Hbi ], VCO2 = [CO] + ai[Cai Hbi ]. VO2 humos = (n − 1)VO2 mín, VN2 humos = AMMT UMH. TEN 79 nVO2 mín + [N2] 21 LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [9/25] COMBUSTIÓN C OMBUSTIBLES G ASEOSOS C OMBUSTIÓN DE UNA MEZCLA DE HIDROCARBUROS CO2 % Volumen CO 0,00 CO + 1/2O2 = CO2 H2 H2 + 1/2O2 = H2O 0,00 H2O N2 O2 TOT 0,00 0,00 C1H4 86,0 C1H4+2O2=CO2+2H2O 0,86 1,72 C2H6 7,60 C2H6+3,5O2=2CO2+3H2O 0,15 0,23 C3H8 2,40 C3H8+5O2=3CO2+4H2O 0,07 0,10 C4H10 1,00 C4H10+6,5O2=4CO2+5H2O 0,04 0,05 N2 3,00 0,03 N2 Aire de Combustión (n=1,2) 9,80 O2 Aire de Combustión (n=1,2) Volumen de humos húmedos Volumen de humos secos 1,12 1,12 2,09 0,00 9,83 9,83 0,43 0,43 13,48 0,43 11,38 El volumen de humos secos y de humos húmedos se calcula mediante: VHH = [H2 ] + bi/2[Cai Hbi ] + [CO] + ai[Cai Hbi ] + [N2] + ((n − 1) + 79/21 n) VO2 mín VHS = [CO] + +ai[Cai Hbi ] + [N2] + ((n − 1) + 79/21 n) VO2 mín AMMT UMH. TEN LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [10/25]
  • 84. COMBUSTIÓN C OMBUSTIBLES LÍQUIDOS Y SÓLIDOS C + O2 → CO2 H2 + 1/2O2 → H2 O S + O2 → SO2 PC C + 32/12PC O2 → 44/12PC CO2 PH2 H2 + 32/4PH2 O2 → 18/2PH2 H2 O PS S + 32/32PS O2 → 64/32PS SO2 % Peso PC=86,0 PH2=11,1 PS=0,8 PW =1 PA=0,1 O2 2,29 0,89 0,01 C + O2 = CO2 H2 + 1/2O2 = H2O S + O2 = SO2 86,00 11,10 0,80 1,00 0,10 Masa de O2 kg/kg 3,19 3 Volumen de O2 m N/kg 2,23 Masa de Aire kg/kg 13,69 3 Volumen de Aire m N/kg 10,64 M ASA DE OXÍGENO MÍNIMO Y DE AIRE MÍNIMO : mO2 mín = mA mín = 32PC 32PH2 32PS PO2 + + − 12 4 32 1 kg O2 /kg de comb. 100 mO mín 23,3 2 AMMT UMH. TEN LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [11/25] COMBUSTIÓN C OMBUSTIBLES LÍQUIDOS Y SÓLIDOS % Peso PC=86,0 PH2=11,1 PS=0,8 PN2=1 PW =1 PA=0,1 C + O2 → CO2 H2 + 1/2O2 → H2 O S + O2 → SO2 PC C + 32/12PC O2 → 44/12PC CO2 PH2 H2 + 32/4PH2 O2 → 18/2PH2 H2 O PS S + 32/32PS O2 → 64/32PS SO2 86,00 11,10 0,80 1,00 1,00 0,10 C + O2 = CO2 H2 + 1/2O2 = H2O S + O2 = SO2 kg/kg 3,153 0,999 0,016 0,010 0,010 CO2 H2O SO2 N2 H2O Aire de combustión, n=1 PO2 PN2 n=1 n=1,4 0,000 1,276 O2 10,500 14,698 N2 Masa de humos húmedos kg/kg Masa de humos secos kg/kg 14,69 13,67 20,63 19,15 C OMPOSICIÓN MÁSICA DE LOS HUMOS : 44 PC 18 PH2 64 PS mCO2 = , mH2 O = + PW , VSO2 = 12 2 32 mO2 humos = 0,233 (n − 1) mA min, mN2 humos = 0,766 n mA min + PN2 AMMT UMH. TEN LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [12/25]
  • 85. COMBUSTIÓN C OMBUSTIBLES LÍQUIDOS Y SÓLIDOS % Peso PC=86,0 3 m N/kg 1,606 86,00 C + O2 = CO2 PH2=11,1 C + O2 → CO2 H2 + 1/2O2 → H2 O S + O2 → SO2 11,10 H2 + 1/2O2 = H2O S + O2 = SO2 CO2 1,256 H2O PS=0,8 0,006 SO2 1,00 0,008 N2 PW =1 PC C + 32/12PC O2 → 44/12PC CO2 PH2 H2 + 32/4PH2 O2 → 18/2PH2 H2 O PS S + 32/32PS O2 → 64/32PS SO2 0,80 PN2=1 1,00 0,013 H2O PA=0,1 0,10 Aire de combustión, PO2 n=1 0,000 8,404 3 Volumen de humos húmedos m N/kg Volumen de humos secos m3N/kg 11,774 N2 11,28 10,02 PN2 n=1,4 0,894 O2 15,53 14,28 C OMPOSICIÓN VOLUMÉTRICA DE LOS HUMOS : PC PW PH PS VCO2 = 22,4 , VH2 O = 22,4 2 +22,4 , VSO2 = 22,4 12 2 18 32 VO2 humos = (n − 1)VO2 mín, VN2 humos = AMMT UMH. TEN 79 PN nVO2 mín + 22,4 2 21 28 LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [13/25] COMBUSTIÓN T EMPERATURA DE ROCÍO DE LOS HUMOS En la combustión de un combustible se produce agua que, dada la alta temperatura de los gases de escape se encuentra en forma de vapor. La temperatura de rocío se determina a partir de la presión parcial del vapor de agua: pv = yv p donde p es la presión a la que se encuentran los humos e yv es la fracción molar o volumétrica del vapor de agua en los productos de combustión VH O yv = 2 VH yv = AMMT UMH. TEN VH2 O . VHS +VH2 O Temp ◦C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ρ kg/m3 999,8 999,8 998,3 995,7 992,3 988,0 983,1 977,7 971,6 965,1 958,1 cp J/kg K 4218 4193 4182 4180 4179 4182 4186 4191 4195 4203 4215 µ × 103 kg/m s 1,7910 1,3080 1,0030 0,7978 0,6531 0,5471 0,4668 0,4044 0,3550 0,3150 0,2822 k W/m K 0,5619 0,5820 0,5996 0,6150 0,6286 0,6405 0,6507 0,6594 0,6668 0,6727 0,6775 β × 103 K−1 0,55 0,082 0,207 0,306 0,389 0,462 0,529 0,590 0,647 0,702 0,755 pv kPa 0,61 1,23 2,34 4,24 7,38 12,3 20 32 50 70 100 LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [14/25]
  • 86. COMBUSTIÓN INCOMPLETA I NTRODUCCIÓN La combustión puede estar realizándose: 1. Con defecto de aire n < 1. En este caso se producen inquemados de forma inevitable. 2. Con demasiado exceso de aire. En este caso aumentan las pérdidas energéticas por mayor cantidad de humos y por tanto mayor energía perdida en los humos. 3. Con el exceso de aire correcto pero con demasiados inquemados. Mal funcionamiento de los quemadores. La combustión debe realizarse con una relación de aire dada y además debe asegurarse que la misma se realiza de forma correcta. Para ello se emplea un analizador de gases: 1. El exceso (o defecto) de aire con el que se está produciendo la combustión. 2. La presencia de inquemados: carbono C, hidrógeno H2 , hidrocarburos inquemados CaHb , monóxido de carbono CO procedente del carbono del combustible y que no ha pasado a CO2 . o procedente de la propia composición del combustible. Análisis de la combustión sobre humos secos de la combustión. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [15/25] COMBUSTIÓN INCOMPLETA C OMBUSTIBLES LÍQUIDOS Y SÓLIDOS Únicamente se tendrá en cuenta la presencia de inquemados por formación de CO. xC + x O2 (1 − x)C + (1 − x)/2 O2 H2 + 1/2O2 S + O2 → → → → xCO2 (1 − x)CO H2 O SO2 Composición volumétrica de los gases de combustión en m3 N/kg: VCO2 = 22,4 x VH2O = 22,4 PC PC , VCO = 22,4 (1 − x) , 12 12 PH2 PS PW + 22,4 , VSO2 = 22,4 , 2 18 32 VO2 humos = 22,4 (1 − x) 1 PC + 0,21(n − 1)VA min, 2 12 VN2 humos = 0,79 nVA min + 22,4 AMMT UMH. TEN PN2 . 28 LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [16/25]
  • 87. COMBUSTIÓN INCOMPLETA C OMBUSTIBLES LÍQUIDOS Y SÓLIDOS Despreciando el volumen de SO2 los volúmenes de CO2, CO, O2 y N2 en tanto por uno en peso sobre la masa de humos secos resulta: x PC VHS 12 (1 − x) PC vCO = 22,4 VHS 12 n−1 (1 − x) 1 PC + 0,21 VA min vO2 = 22,4 VHS 2 12 VHS 22,4 PN2 n VA min + vN2 = 0,79 VHS VHS 28 vCO2 = 22,4 Siendo el volumen de humos secos PC PC PC PN + (1 − x) + (1 − x) + 2 + 12 12 24 28 3 N/kg de comb. + (0,21 (n − 1) + 0,79 n) VA min m VHS = 22,4 x Cumpliéndose además: vCO2 + vCO + vO2 + vN2 = 1. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [17/25] COMBUSTIÓN INCOMPLETA =1 COMPOSICIÓN EN PESO DEL GASÓLEO % 2% PC= 86,0% n= 1.8 6% P3: %O2=21,0, %CO2=0 2.5 8% n= 9% .E MB CO ,9 n=0 LÍN CO =1 0% EA ST CO MB EQ ,8 n=0 4 US TI M UIO ÓN LE AMMT UMH. TEN A RIC 0 CO MP ÉT 2 %CO2=16,03 P2: %O2=7,42, %CO2=0 n= EA LÍN 6 P1: %O2=0, n= 7% 8 2.0 10 P = 0,1% A n= 5% P = 0,8% S Pw= 1,0% n= 1.5 1.6 4% n= 1.4 12 P = 11,1% H PN= 1,0% 3% 3.0 CO 14 n= 1.1 n= 1.1 5 n= 1.2 n= 1 n= .25 1.3 %CO2 n= 1 P1 16 n= 1.0 5 D IAGRAMA DE O STWALD DEL G ASÓLEO 0 2 4 6 P2 8 10 12 14 16 18 %O2 TA 20 P3 LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [18/25]
  • 88. COMBUSTIÓN INCOMPLETA n= 1.0 5 14 % 2% 3% COMPOSICIÓN EN PESO DEL FUELÓLEO n2 PC= 83,7% 5% 10 n= 1.8 6% 7% P3: %O2=21,0, %CO2=0 n= CO =1 0% LÍN EA ES CO MB Q TE ,8 US TI MÉ UIO 2 %CO2=16,44 P2: %O2=7,6, %CO2=0 n= 3.0 . MB ,9 n=0 4 P1: %O2=0, 9% CO n=0 6 P = 0,5% A 2.5 8% EA LÍN 8 P = 3,6% S Pw= 2,0% n= 1.5 n= 1.6 4% 12 P = 9,2% H PN= 1,0% n= 2.0 =1 n= 1.4 %CO2 CO n= 1.1 5 n= 1.2 n= 1 n= .25 1.3 P1 16 n= 1.1 n= 1 D IAGRAMA DE O STWALD DEL F UELÓLEO N◦ 2 ÓN MP LE ICA TR 0 CO 0 2 4 6 P2 8 AMMT UMH. TEN 10 12 14 16 18 %O2 TA 20 P3 LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [19/25] COMBUSTIÓN INCOMPLETA A NALIZADOR DE HUMOS AMMT UMH. TEN LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [20/25]
  • 89. COMBUSTIÓN INCOMPLETA C OMBUSTIBLES GASEOSOS H2 + 1/2O2 → H2 O CO + 1/2O2 → CO2 b a+b CaHb + (a+ − )O2 → (a−x)CO2 + xCO + (b/2−y)H2O + yH2 4 2 El volumen de los productos de combustión en m3 N/m3 N de combustible resulta: VCO2 = (a − x)[CaHb ] + [CO], VCO = x[Ca Hb ], VH2O = (b/2 − y)[CaHb ] + [H2], VH2 = y[CaHb ], a+b VO2 = [Ca Hb ] + (n − 1)VO2 mín, 2 79 VN2 = [N2] + nVO2 mín. 21 Volumen de humos secos: VHS = V hCO2 +V hCO +V hH2 +V hO2 +V HN2 . AMMT UMH. TEN LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [21/25] COMBUSTIÓN INCOMPLETA C OMBUSTIBLES GASEOSOS La proporción en volumen de cada compuesto resulta: vCO2 = VCO2 VO VCO VH VN , vCO = , vH2 = 2 , vO2 = 2 , vN2 = 2 . VHS VHS VHS VHS VHS vCO2 + vCO + vO2 + vN2 = 1. Resultando un sistema de 6 ecuaciones con 9 incógnitas: vCO2 , vCO , vH2 , vO2 , vN2 , VHS , n, x y y. Suponiendo: x = y y por tanto vH2 = vCO , resultan 5 ecuaciones con 7 incógnitas con el que se construye el denominado diagrama de Kissel. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [22/25]
  • 90. COMBUSTIÓN INCOMPLETA P1 0,0 n= 1,1 14 COMPOSICIÓN EN VOLUMEN DEL PROPANO 12 VC2H= 2,0% V C3H8 92,0% = 6 n= 1,4 VC4H10 4,0% V N2= 2,0% = 10 n= 1,5 n= 1,2 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 n= 1,3 0,1 %CO2=13,75 P2: %O2=21,0, %CO2=0 EA CO 6 MB US n= 3,0 TI ÓN n= 4,0 CO MP 4 LE TA n= 10 ,0 n= 6,0 1,0 n= 0,9 n= 0,8 n= 0,7 n= 0 0 2 4 6 8 10 AMMT UMH. TEN 8 LÍN n= 2,5 1,5 P1: %O2=0, n= 2,0 n= 1,8 1,0 3,0 %CO2 CO CO2 n= 1,0 D IAGRAMA DE K ISSEL DEL P ROPANO 12 14 16 18 %O2 2 20 P2 LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [23/25] COMBUSTIÓN INCOMPLETA D IAGRAMA DE K ISSEL DEL G AS N ATURAL 14 1,0 COMPOSICIÓN EN VOLUMEN DEL GAS NATURAL 12 VC1H4= 86,0%VC2H6= 7,6% n= 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 1,1 n= P1 0,0 ,3 10 P1: %O2=0, n= 1,5 n= 1,4 n= 1 n= 1 ,2 VC3H8= 2,4% VC4H10 1,0%VN2 = 3,0% = 2,0 n= LÍN EA 3,0 US TIÓ N 4 CO MP n= 4,0 n= LE 10 ,0 TA 2 n= n= 6,0 5,0 8 6 CO MB n= 1,0 n= 0,9 n= 0,8 n= 0,7 n= 2,5 n= 1,5 %CO2=12,06 P2: %O2=21,0, %CO2=0 1,8 1,0 3,0 %CO2 CO CO2 0 AMMT UMH. TEN 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 %O2 20 P2 LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [24/25]
  • 91. COMBUSTIÓN B IBLIOGRAFÍA Bibliografía: Miranda A.C. y Oliver R, capítulos 2 y 3. Molina L.A. y Alonso J.M, capítulo 3. de Andrés y Rodriguez-Pomatta, J.A., capítulo 18. Molina L.A. y Molina, G.M., capítulo 7. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 7: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ESTEQUIOMÉTRICOS [25/25]
  • 92. LECCIÓN 8. COMBUSTIÓN. ASPECTOS ENERGÉTICOS 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 Balances de energía en procesos de combustión Poder calorífico de combustibles líquidos y sólidos Poder calorífico de combustibles gaseosos Entalpía de los gases de combustión Tempearatura de rocío de los humos Temperatura adiabática de llama Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. TEN LECCIÓN 8: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ENERGÉTICOS [1/16] COMBUSTIÓN O BJETIVOS O BJETIVOS E SPECÍFICOS DE LA L ECCIÓN 1. Escribir el significado de conceptos relacionados con la combustión como: entalpía de formación, poderes caloríficos o temperatura abiadática de llama. 2. Aplicar balances de energía a los sistemas que incluyen reacciones químicas. 3. Calcular la temperatura adiabática de llama en una combustión completa. 4. Calcular la exergía química de hidrocarburos combustibles 5. Realizar análisis exergéticos incluyendo la exergía química. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 8: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ENERGÉTICOS [2/16]
  • 93. COMBUSTIÓN I NTRODUCCIÓN La combustión es una reacción química exotérmica de oxidación-reducción entre dos o más sustancias. Se produce una ruptura de los enlaces de las moléculas de los reactivos y los átomos y electrones se reagrupan para formar los productos. Se trata de una oxidación rápida de los elementos reactivos del combustible produciéndose una liberalización rápida de la energía, manifestándose en forma de llama. Reactivos: ◦ Combustible es la sustancia reductora de la combustión. ◦ Comburente es la sustancia oxidante de la combustión (oxígeno contenido en el aire: 23 % en peso y 21 % en volumen). Productos: CO2, CO, H2O, SO2 AMMT UMH. TEN LECCIÓN 8: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ENERGÉTICOS [3/16] COMBUSTIÓN I NTRODUCCIÓN Las reacciones químicas que se emplean para análisis prácticos de la combustión completa de un combustible con aire son las siguientes: C + (O2 + 3,76N2) → CO2 + 3,76N2 CO + 1/2(O2 + 3,76N2) → CO2 + 3,76/2N2 H2 + 1/2(O2 + 3,76N2) → H2 O + 3,76/2N2 S + (O2 + 3,76N2) → SO2 + 3,76N2 CaHb + (a+b/4)(O2 + 3,76N2) → aCO2 + b/2H2O + (a+b/4)3,76N2 El análisis de la combustión se diferencia en Combustibles gaseosos: Composición en tanto por uno en volumen (o molar) de hidrógeno [H2 ], anhídrido carbónico [CO], nitrógeno [N2] hidrocarburos [Cai Hbi ], y agua [H2 O]. Combustibles sólidos y líquidos: Composición en tanto por uno en peso de carbono PC , hidrógeno PH2 , oxígeno PO2 , azufre PS , agua PW y cenizas PA . AMMT UMH. TEN LECCIÓN 8: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ENERGÉTICOS [4/16]
  • 94. COMBUSTIÓN C ONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA o E NTALPÍA DE FORMACIÓN h f Necesidad de establecer un estado de referencia estándar Tre f = 298,15K, pre f = 1atm. Se asigna h = 0 a las formas estables de los elementos C, H2 , N2, O2 . Entalpía de un compuesto (o de un elemento): o o h(T, p) = h f + [h(T, p) − h(Tre f , pre f )] = h f + ∆h AMMT UMH. TEN LECCIÓN 8: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ENERGÉTICOS [5/16] COMBUSTIÓN C ONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA o E NTALPÍA DE FORMACIÓN h f Compuesto Monox. carbono Diox. carbono Agua Diox. azufre Metano Etano Propano Butano AMMT UMH. TEN Símbolo CO CO2 H2 O SO2 CH4 C2 H6 C3 H8 C4 H10 ˙ hf kJ/kmol -110 530 -393 520 - 285 830 - 296 991 - 74 850 - 84 680 - 103 850 - 126 150 ˙ hf kcal/kmol - 26 442 - 94 144 - 68 380 - 71 050 - 17 906 - 20 258 - 24 844 - 30 179 Peso Molec. kg/kmol 28 44 18 64 16 30 44 58 LECCIÓN 8: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ENERGÉTICOS [6/16]
  • 95. COMBUSTIÓN C ONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA BALANCE DE ENERGÍA E XPRESIÓN DEL BALANCE DE ENERGÍA o o ˙ ˙ ˙ ˙ Qvc − Wvc = ∑ nP (h f + ∆h)P − ∑ nR(h f + ∆h)R P R AMMT UMH. TEN LECCIÓN 8: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ENERGÉTICOS [7/16] COMBUSTIÓN C ONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA BALANCE DE ENERGÍA E NTALPÍA DE COMBUSTIÓN hcomb o o o nc hcomb = ∑ nP(h f )P − ∑ nR(h f )R P R E XPRESIÓN DEL BALANCE DE ENERGÍA o ˙ ˙ ˙ ˙ ˙ Qvc − Wvc = nc hcomb + ∑ nP(∆h)P − ∑ nR(∆h)R P AMMT UMH. TEN R LECCIÓN 8: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ENERGÉTICOS [8/16]
  • 96. COMBUSTIÓN C ONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA BALANCE DE ENERGÍA T EMPERATURA ADIABÁTICA DE LLAMA o ∑ nP(∆h)P = nchcomb + ∑ nR(∆h)R P AMMT UMH. TEN R LECCIÓN 8: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ENERGÉTICOS [9/16] COMBUSTIÓN P ODER CALORÍFICO El poder calorífico de un combustible es el valor absoluto de su entalpía de combustión. La definición del poder calorifico de un combustible no es única: Poder calorífico superior (P.C.S.). Es el poder calorífico determinado en un calorímetro, donde el vapor de agua producido en la combustión se condensa cediendo aproximadamente 2510 kJ/kg, 600 kcal/kg. Poder calorífico inferior (P.C.I.). Es el poder calorífico determinado en un calorímetro, donde el vapor de agua no condensa. Generalmente se emplea este poder calorífico se emplea ya que la temperaturas de los gases de escape suele estar por encima de 150◦C y el vapor de agua no condensa. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 8: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ENERGÉTICOS [10/16]
  • 97. COMBUSTIÓN P ODER CALORÍFICO DE COMBUSTIBLES GASEOSOS Poder calorífico de un combustible formado por fracciones volumétricas de: [H2 ], [CO], [Cai Hbi ], [H2 O] y [N2 ]. (PCS)h = [H2 ]PCSH2 + [CO]PCSCO + ∑[Cai Hbi ]PCSCaiHbi + 2018 [H2O] (PCI)h = [H2 ]PCIH2 + [CO]PCICO + ∑[Cai Hbi ]PCICaiHbi (PCS)s = [H2 ]PCSH2 + [CO ]PCSCO + ∑[Cai Hbi ]PCSCaiHbi (PCI)s = [H2 ]PCIH2 + [CO ]PCICO + ∑[Cai Hbi ]PCICaiHbi . % Volumen CO 0,00 CO + 1/2O2 = CO2 PCS(kJ/m3N) 12624 H2 H2 + 1/2O2 = H2O 12749 0 C1H4 86,0 C1H4+3O2=CO2+2H2O 39835 34258 C2H6 7,60 C2H6+3,5O2=2CO2+3H2O 70475 5356 0,00 0 C3H8 2,40 C3H8+5O2=3CO2+4H2O 101783 2443 C4H10 1,00 C4H10+6,5O2=4CO2+5H2O 132924 1329 0,00 0 N2 3,00 3 Poder calorífico de combustión PCS (kJ/m N) AMMT UMH. TEN 43387 LECCIÓN 8: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ENERGÉTICOS [11/16] COMBUSTIÓN P ODER CALORÍFICO DE COMB . LÍQUIDOS Y SÓLIDOS Para un combustible de composición en tanto por uno en peso de carbono PC , hidrógeno PH2 , oxígeno PO2 , azufre PS , agua PW y cenizas PA , las reacciones quedarían: C + O2 → CO2 − 393 520 kJ H2 + 1/2O2 → H2O − 285 830 kJ S + O2 → SO2 − 296 991 kJ PC C + 32/12 PC O2 → 44/12 PC CO2 − 32 793 PC kJ PH2 H2 + 16/2 PH2 O2 → 18/2 PH2 H2 O − 142 915 PH2 kJ PS S + 32/32 PS O2 → 64/32 PS SO2 − 9 281 PS kJ Poder calorífico superior e inferior del combustible: PCS = 32 793 PC + 142 915 PH2 + 9 281 PS kJ/kg de comb. PCI = (PCS)h − (9 × 2512)PH2 − 2512PW AMMT UMH. TEN LECCIÓN 8: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ENERGÉTICOS [12/16]
  • 98. COMBUSTIÓN A NÁLISIS EXERGÉTICO T ERCER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA La entropía de una sustancia pura critalina a 0 K es nula. E NTROPÍA DE UN GAS IDEAL s(T, p) = s(T, pre f ) + [s(T, p) − s(T, pre f )] = so (T ) − R ln p pre f E NTROPÍA DE LA COMPONENTE i DE UNA MEZCLA DE GAS IDEAL yi p si (T, pi ) = so (T ) − R ln i pre f AMMT UMH. TEN LECCIÓN 8: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ENERGÉTICOS [13/16] COMBUSTIÓN A NÁLISIS EXERGÉTICO BALANCE DE ENTROPÍA E XPRESIÓN DEL BALANCE DE ENTROPÍA ˙ Qvc ˙ 0= ˙ ˙ + nP(s(T, p))P − ∑ nR(s(T, p))R + σvc To ∑ R P AMMT UMH. TEN LECCIÓN 8: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ENERGÉTICOS [14/16]
  • 99. COMBUSTIÓN A NÁLISIS EXERGÉTICO E XERGÍA QUÍMICA E XPRESIÓN DEL BALANCE DE ENERGÍA Y ENTROPÍA ˙ ˙ ˙ 0 = Qvc − Wvc + ∑ nR hR − ∑ nP hP ˙ P R 0= ˙ Qvc ˙ + nRsR − ∑ nP sP + σvc ˙ ˙ To ∑ R P E XERGÍA QUÍMICA exq = ∑ nR (hR − To sR ) − ∑ nP(hP − To sP) ˙ ˙ R P AMMT UMH. TEN LECCIÓN 8: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ENERGÉTICOS [15/16] COMBUSTIÓN B IBLIOGRAFÍA Bibliografía: Miranda A.C. y Oliver R, capítulos 2 y 3. Molina L.A. y Alonso J.M, capítulo 3. de Andrés y Rodriguez-Pomatta, J.A., capítulo 18. Molina L.A. y Molina, G.M., capítulo 7. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 8: COMBUSTIÓN. ASPECTOS ENERGÉTICOS [16/16]
  • 100. LECCIÓN 9. HOGARES Y QUEMADORES 9.1 Hogares 9.2 Quemadores 9.3 Pérdidas energéticas en la combustión Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [1/28] HOGARES Y QUEMADORES O BJETIVOS DE LA LECCIÓN O BJETIVOS E SPECÍFICOS DE LA L ECCIÓN Al finalizar la lección, el estudiante deberá ser capaz de: 1. Conocer las características de los hogares empleados en equipos térmicos 2. Conocer los elementos que forman un hogar 3. Conocer las características que debe reunir un quemador 4. Conocer la tipología de los quemadores de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos 5. Calcular las pérdidas que se producen en un hogar AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [2/28]
  • 101. HOGARES I NTRODUCCIÓN Se denomina hogar o cámara de combustión al lugar donde se produce la combustión En combustibles líquidos, gaseosos y sólidos pulverizados la mezcla aire-combustible se realiza en los quemadores, siendo el hogar el lugar donde se desarrolla la llama y se producen los gases calientes. En combustibles sólidos el hogar se complementa con la parrilla que sirve de soporte del combustible y del cenicero que es el lugar donde se recogen las cenizas y resíduos de la combustión. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [3/28] HOGARES D ISEÑO DEL HOGAR El diseño del hogar se realiza de forma que en ningún caso la llama toque las paredes del hogar debido a: En paredes frías de hogares refrigerados o haces de tubos en calderas, la llama sufre un enfriamiento brusco parándose la combustión en esta zona y produciendo una serie de compuestos sin quemar o a medio quemar denominados inquemados. En paredes calientes formadas generalmente por materiales refractarios, el problema es la reacción química del combustible con la pared con la posible erosión de la misma. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [4/28]
  • 102. HOGARES D ISEÑO DEL HOGAR Clasificación: En función su posición relativa: Inferiores, delanteros o interiores. En función del estado físico del combustible: gaseosos, líquidos o sólidos. En función de la presión en el hogar: depresión, ligeramente presurizados y presurizados. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [5/28] HOGARES C OMPONENTES DE UN H OGAR Sistema de alimentación y sustentación del combustible. Depende principalmente del tipo de combustible ◦ Quemadores. Combustibles gaseosos, líquidos y sólidos pulverizados. ◦ Parrillas fijas o móviles y cenicero. Combustibles sólidos. Sistema de alimentación de aire. En el caso de combustibles sólidos se inyecta el aire mediante ventiladores al interior del hogar. En combustibles gaseosos, líquidos o sólidos pulverizados, se alimenta en el quemador. Paredes. Están generalmente formadas por una capa interior de material refractario (generalmente ladrillo refractario) y una exterior de aislamiento térmico. Tiro y chimenea. El tiro produce al mismo tiempo la evacuación de los productos de combustión y la entrada del aire de combustión previsto. El tiro puede ser natural o forzado. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [6/28]
  • 103. HOGARES C OMPONENTES DE UN H OGAR AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [7/28] HOGARES C OMPONENTES DE UN H OGAR AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [8/28]
  • 104. HOGARES C OMPONENTES DE UN H OGAR AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [9/28] QUEMADORES I NTRODUCCIÓN Los quemadores son equipos preparados para producir la combustión completa y optimizada. Condiciones básicas que debe reunir un quemador son: Debe tener un margen de regulación adecuado. ◦ El límite de presión máxima se establece por el despegue de la llama ◦ El límite de presión mínima ocurre por el retroceso de la llama Debe producir una adecuada estabilidad de funcionamiento. Para estabilizar la llama se puede recurrir a los siguientes métodos: ◦ Aumentar la turbulencia en la mezcla aire-combustible. ◦ Precalentar el aire de combustión. ◦ Recircular gases parcialmente quemados. Debe controlarse la forma y dimensiones de la llama. Debe seleccionarse en función de la cámara de combustión. Debe estar dotado de sistemas de protección y automatismos. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [10/28]
  • 105. QUEMADORES Q UEMADORES PARA COMBUSTIBLES GASEOSOS Son los más sencillos ya que la combustión se realiza en una sola fase. Quemadores con llamas de difusión. El gas y el aire penetran sin mezclar en la cámara, y la mezcla se efectúa por difusión turbulenta en el hogar. Quemadores con premezclado parcial. El gas se premezcla con una parte de aire y el resto necesario para la combustión se aspira más adelante, ya en el hogar. Quemadores con llamas y premezclado total. El gas combustible y todo el aire de la combustión se mezclan antes de que tenga lugar la combustión. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [11/28] QUEMADORES Q UEMADORES PARA COMBUSTIBLES GASEOSOS AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [12/28]
  • 106. QUEMADORES Q UEMADORES PARA COMBUSTIBLES LÍQUIDOS Los quemadores de combustibles líquidos pueden ser: De gasificación. El combustible se vaporiza para su combustión como gas. De pulverización. Pulverización del combustible en pequeñas gotas que por el calor de la llama se evaporan durante su combustión. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [13/28] QUEMADORES Q UEMADORES PARA COMBUSTIBLES LÍQUIDOS AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [14/28]
  • 107. QUEMADORES Q UEMADORES PARA COMBUSTIBLES LÍQUIDOS AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [15/28] QUEMADORES Q UEMADORES PARA COMBUSTIBLES SÓLIDOS PULVERIZ Se trata de quemadores empleados en la combustión de carbón o madera en forma de gránulos o polvo. El diseño de los quemadores se realiza para producir una cambusión rápida que genere una llama corta y estable. En el funcionamiento de estos quemadores se deben tener en cuenta estas dos condiciones: Formación de llama estable con una distancia mínima de encendido. Realización de una combustión rápida, para reducir la longitud de la llama. El sistema se realiza retrasando la entrada de aire secuandario para favorecer el encendido. La posterior combustión se realiza a una temperatura de mezcla de 1500 − 1600◦C, controlada por una solución de compromiso de la velocidad de mezcla: cuanto mayor es esta velocidad más concentración de O2 que facilita la combustión, pero disminuye la temperatura de la combustión lo cual es perjudicial. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [16/28]
  • 108. QUEMADORES Q UEMADORES MIXTOS Y ESPECIALES Quemadores mixtos Se trata de quemadores que pueden funcionar con dos combustibles en distinta fase ◦ Quemadores mixtos carbón pulverizado - fuel-oil o gas ◦ Quemadores mixtos líquido - gas Quemadores especiales. Cabe mencionar: ◦ Quemadores de alta velocidad. ◦ Quemadores recuperativos. ◦ Quemadores de combustión sumergida. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [17/28] ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN P ÉRDIDAS DE ENERGÍA EN UN HOGAR P ÉRDIDAS POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA Producción de inquemados. Definición de un rendimiento de la combustión. Pérdidas por inquemados sólidos Qis . Pérdidas por hidrocarburos inquemados QCH . Pérdidas por CO y H2 inquemados. P ÉRDIDAS DEBIDAS AL HOGAR Son las pérdidas debidas a la propia configuración del hogar Pérdidas por las paredes del hogar por radiación y conducción Pérdidas en aberturas Pérdidas por precalentamiento AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [18/28]
  • 109. ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN P ÉRDIDAS POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA P ÉRDIDAS POR INQUEMADOS SÓLIDOS Pis Inquemados sólidos producen opacidad de los gases de combustión. Medida mediante Índice de Bacharrach. Bacharrach 1 2 3 4 5 6 Pérdidas ( % PCI) 0,8 1,6 2,4 3,5 4,6 5,7 Características de la combustión Excelente. Ausencia de Hollín Buena. Hollín poco perjudicial Mediana. Cierta cantidad de hollín. Limpieza anual Pobre. Humo visible. Moderado a rápido ensuciamiento Muy pobre. Ensuciamiento seguro. Varias limpiezas al año Pobrísima Relación Pis ( %) y la lectura de la opacidad OP( %) Pis ( %) = OP( %) 21 × 21 − O2 65 % del calor total Se producen principalmente en combustibles sólidos y en menor medida en combustibles líquidos y pueden ser entre el 2 y el 3 % del total. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [19/28] ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN P ÉRDIDAS POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA P ÉRDIDAS POR HIDROCARBUROS INQUEMADOS PCH En los combustibles líquidos y gaseosos es habitual que no se queme una parte de los hidrocarburos produciéndose pérdidas por hidrocarburos inquemados PCH . Estas pérdidas se pueden determinar de forma aproximada mediante: PCH ( %) = 21 CH × 21 − O2 1000 siendo O2 el % de O2 en los gases y CH las ppm de hidrocarburos. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [20/28]
  • 110. ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN P ÉRDIDAS POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA P ÉRDIDAS POR CO Y H2 INQUEMADOS PCO No todo el carbono y/o todo el hidrógeno contenido en el combustible se transforma en CO2 y en H2 O. QCO = 32 800 − (32 800x + 9200(1 − x))kJ/kg de C De igual modo, si se supone de solamente se transforma el y por uno de H2 a H2 O, la pérdida por hidrógeno inquemado resulta: QH2 = 120 900 (1 − y) kJ/kg de H Habitualmente se considera que los inquemados de H2 con iguales a los inquemados de CO (que sí de miden). Adicionalmente a las expresiones indicadas anteriormente, las pérdidas por inquemados de CO y H2 se pueden calcular de forma aproximada mediante PCO ( %) = CO 21 × 21 − O2 3100 siendo O2 el % de O2 en los gases y CO las ppm de CO en los gases. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [21/28] ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN P ÉRDIDAS POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA P ÉRDIDAS TOTALES POR INQUEMADOS Pinq = PCO + PH2 + PIS + PCH % del calor total De forma aproximada se pueden calcular mediante: Pinq ( %) = 21 CO CH OP( %) × + + 21 − O2 3100 1000 65 Por convenio se suele considerar CH = CO, ya que generalmente los aparatos se medida únicamente miden CO. R ENDIMIENTO DE LA COMBUSTIÓN Definido debido a que la combustión no es completa. ˙ El calor liberado por el combustible no es Qc = m PCI. Definición: η( %) = 100 − Pinq ( %) AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [22/28]
  • 111. ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN P ÉRDIDAS POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA VALORES ÓPTIMOS DE LOS PARÁMETROS DE COMBUSTIÓN Fuelóleo Gasóleo Gas natural Exceso de aire % 15 a 20 10 a 15 5 a 10 3a4 2a3 1a2 O2 % Bacharrach 2 1a2 CO ppm 400 <400 <400 CH ppm 400 <400 <400 AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [23/28] ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN P ÉRDIDAS DEBIDAS AL HOGAR P ÉRDIDAS POR LAS PAREDES Pp Las pérdidas de calor por las paredes suelen ser inferiores al 2 %, siendo posible emplear un método de cálculo simplificado. En el caso de conocer la distribución de temperaturas de las paredes exteriores, las pérdidas se pueden hallar mediante: Qp = i=n ∑ Ai hi (t pi − ta) i=1 donde Ai son las i áreas con una temperatura exterior t pi y hi es el coeficiente global de transmisión de calor debido a radiación y convección natural o forzada (hi = hR + hC ). Para diseño se recomienda emplear el coeficiente de mayoración 1,05. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [24/28]
  • 112. ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN P ÉRDIDAS DEBIDAS AL HOGAR E NERGÍA DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN I Calor sensible y latente de los humos ˙ ˙ Qh = mh (hh − hre f ) ˙ ˙ mh = mc + n ma,min ˙ Las entalpías de los gases de escape a la temperatura de salida hge y a Tre f : hh(T ) = i=n ∑ xi hi(T ) kJ /kg i=1 La entalpía de cada componente a una temperatura dada hi (T ) está tabulada. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [25/28] ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN P ÉRDIDAS DEBIDAS AL HOGAR E NERGÍA DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN II De forma más simple, la energía de los humos puede determinarse mediante: ˙ ˙ Qh = mh c p,h (th − tre f ), donde el calor específico de los gases de escape c p,h se determina a (th − tre f )/2. A partir de la composición de los humos se puede obtener: c p,h = i=n ∑ xi c p,i kJ /kg K i=1 De forma alternativa el calor específico se puede hallar mediante una expresión del tipo c p,h = M + N tg , para cálculos aproximados c p,h ≈ 1,1 kJ/kg K) A la salida de la chimenea, la energía de los humos se trata como una pérdida. Expresada en % del poder calorífico: Ph( %) = 100 × AMMT UMH. TEN mh (hh − hre f ) ˙ mc PCI ˙ LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [26/28]
  • 113. ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN R ENDIMIENTO ENERGÉTICO DEL HOGAR R ENDIMIENTO ENERGÉTICO DEL HOGAR Relación entre la energía de los humos y el calor total del combustible ηh = 100 × Qu , QT donde QT es el calor total del combustible dado por QT = m P.C.I., Qu es el calor útil ˙ dado por Qu = QT − P, y P la suma de las pérdidas presentadas en el apartado anterior. Cuando el dato conocido son las pérdidas producidas en lugar del calor útil, el rendimiento del hogar se puede calcular mediante ηh = 100 × 1 − P QT . AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [27/28] LECCIÓN 9. HOGARES Y QUEMADORES B IBLIOGRAFÍA Esquerre Pizá, P. (1988), Dispositivos y Sistemas para el Ahorro de Energía. ISBN: 84267-0722-x, Marcombo. Miranda Barreras, A. L., Oliver Pujol, R., (1996), La combustión. ISBN: 84-329-6550-2, Ediciones CEAC. Bermúdez, V. (2000), Tecnología Energética. ISBN: 84-7721-868-4, Servicio de publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 9: HOGARES Y QUEMADORES [28/28]
  • 114. LECCIÓN 10. CHIMENEAS 10.1 Tiro en chimeneas 10.2 Diseño de chimeneas 10.3 Cálculo de chimeneas Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. TEN LECCIÓN 10: CHIMENEAS [1/14] CHIMENEAS O BJETIVOS DE LA LECCIÓN O BJETIVOS E SPECÍFICOS DE LA L ECCIÓN Al finalizar la lección, el estudiante deberá ser capaz de: 1. Conocer las características de los hogares empleados en equipos térmicos 2. Conocer los elementos que forman un hogar 3. Conocer el funcionamiento de las chimeneas y sus requisitos de diseño 4. Calcular la chimenea necesaria para una aplicación dada AMMT UMH. TEN LECCIÓN 10: CHIMENEAS [2/14]
  • 115. CHIMENEAS T IRO F UNCIÓN DE LAS CHIMENEAS : Producir el tiro necesario que permita la entrada del aire de combustión y la salida de los humos E L TIRO SE PUEDE PRODUCIR POR : Diferencia de densidades de los humos calientes respecto al aire exterior Por diferencia de presiones producida por un ventilador AMMT UMH. TEN LECCIÓN 10: CHIMENEAS [3/14] CHIMENEAS T IRO T IPOS DE TIRO Tiro natural. Producido por la diferencias de densidades Tiro artificial. Apoyo de ventilador. Tipos: ◦ Tiro forzado. El tiro forzado puede ser asimismo: • Forzado puro. Un ventilador impulsa el aire al interior del hogar. • Aspirado. El ventilador se instala entre el hogar y la chimenea. • Equilibrado. ◦ Tiro inducido. Efecto venturi. Tipos: • Inducido con gases de escape. • Inducido con aire ambiente. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 10: CHIMENEAS [4/14]
  • 116. CHIMENEAS T IRO AMMT UMH. TEN LECCIÓN 10: CHIMENEAS [5/14] CHIMENEAS D ISEÑO DE CHIMENEAS R EQUERIMIENTOS DE DISEÑO 1. Deben soportar altas temperaturas 2. Deben soportar la presencia de ácido sulfúrico condensado y 3. Deben evitar el enfriamiento de los humos AMMT UMH. TEN LECCIÓN 10: CHIMENEAS [6/14]
  • 117. CHIMENEAS D ISEÑO DE CHIMENEAS M ATERIALES Metálicas. Se fabrican con aleaciones como acero al molibdeno o al cromoniquel, que soportan el ácido sulfúrico. Además las chimeneas metálicas se aíslan para evitar el enfriamiento de los humos. Hormigón. Bien de hormigón armado o bien de obra con protección interior por revestimiento antiácido. En algunas ocasiones las chimeneas llevan un tubo metálico interior separado de la pared de hormigón mediante una capa de aire que actúa de aislante. En este caso el tubo suele sobresalir 0,5 m por encima de la obra para evitar remolinos. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 10: CHIMENEAS [7/14] CHIMENEAS D IMENSIONADO DE CHIMENEAS DATOS DE PARTIDA : Características del equipo. Potencia nominal, combustible, temperatura de salida de los humos, coeficiente de exceso de aire. Tiro necesario. Positivo (depresión), neutro o negativo (presión positiva a la salida del equipo) R EQUISITOS DE DISEÑO : Velocidad de los humos. Generalmente entre 1,5 y 15 m/s. En equipos industriales suele estar comprendida entre 3 y 4 m/s. Altura. Debe proporcionar el suficiente tiro, sobresaliendo 1 m de los edificios cercanos. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 10: CHIMENEAS [8/14]
  • 118. CHIMENEAS D IMENSIONADO DE CHIMENEAS C AUDAL DE HUMOS Gasto másico de combustible mf = ˙ Pequipo /ηequipo P.C.I. kg/s Caudal de humos en condiciones normales: ˙ Qhumos,N = m f Qesp,gases ˙ m3 N/s Caudal de humos para otras condiciones: T (K) ˙ ˙ Qhumos = Qhumos,N 273 + 0 m3 /s AMMT UMH. TEN LECCIÓN 10: CHIMENEAS [9/14] CHIMENEAS D IMENSIONADO DE CHIMENEAS T IRO DE LA CHIMENEA ∆ptiro,real = ∆ptiro,teo − ∆pR ∆ptiro,teo es el tiro natural producido por la chimenea ∆ptiro,real es el tiro real proporcionado por la chimenea ∆pR es la pérdida de presión en el circuito de humos dada por: ∆pR = ∆p f + ∆pac + ∆pd ∆p f la pérdida de presión por fricción en la chimenea ∆pac la pérdida de presión por accesorios ∆pd es la pérdida de presión a la salida por la presión dinámica de los humos AMMT UMH. TEN LECCIÓN 10: CHIMENEAS [10/14]
  • 119. CHIMENEAS D IMENSIONADO DE CHIMENEAS T IRO DE LA CHIMENEA El tiro ∆ptiro,teo se produce por la diferencia entre la densidad del aire exterior y la de los humos de la chimenea. ∆ptiro,teo = g H ρaire,Text 1 − Text Thumos,m donde g, gravedad (9,8 m/s2 ) H, altura de la chimenea ρaire,Text , densidad del aire a la temperatura exterior Text , temperatura exterior en Kelvin Thumos , temperatura humos en Kelvin AMMT UMH. TEN LECCIÓN 10: CHIMENEAS [11/14] CHIMENEAS D IMENSIONADO DE CHIMENEAS T EMPERATURA DE LOS HUMOS En la chimenea se producen pérdidas de calor que producen el enfriamiento de los humos con la consiguiente pérdida de tiro. ˙ Q p,ch = Ui Ai (Thumos,m − Text ) ˙ Q p,ch = mh c p,h (Thumos,e − Thumos,s ) ˙ Material Ui , W/m2 K Tubo metálico sin aislar 7,4 Tubo de cemento-asbesto 6,8 Tubo de acero negro o pintado 6,8 Tubo de acero galvanizado 5,7 Chimenea de ladrillo 5,7 Doble tubo con cámara de aire de 6 mm 3,4 Doble tubo con cámara de aire de 12 mm 2,3 Chimenea prefabricada aislada 1,7 AMMT UMH. TEN LECCIÓN 10: CHIMENEAS [12/14]
  • 120. CHIMENEAS D IMENSIONADO DE CHIMENEAS P ÉRDIDAS DE CARGA Pérdidas de carga por fricción ∆p f . Se determinan mediante ∆p f = ρhumos λ L v2 humos Dh 2 Pérdidas de carga por accesorios ∆pac . Se determinan mediante ∆pac = ∑ Ki ρhumos i v2 humos 2 Pérdida de carga por presión dinámica ∆pd . ∆pd = ρhumos v2 humos,s 2 AMMT UMH. TEN LECCIÓN 10: CHIMENEAS [13/14] LECCIÓN 10. CHIMENEAS B IBLIOGRAFÍA Molina L.A., Molina G. (1993), Manual de Eficiencia Energética Térmica en la Industria. ISBN: 84-8129-022-X, Ente Vasco de la Energía, capítulo 1. de Andrés y Rodriguez-Pomatta J.A. (1990), Calor y Frío Industrial. ISBN: 84-3621597-4, Simancas Ediciones, capítulos 19 y 20. Manual ASHRAE (1988), Equipos, capítulo 26. Norma UNE 123-001-94. Chimeneas. Cálculo y Diseño. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 10: CHIMENEAS [14/14]
  • 121. LECCIÓN 11. CALDERAS 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 Clasificación Funcionamiento de una caldera acuotubular y pirotubular Pérdidas energéticas en calderas Balance energético en una caldera. Rendimiento energético Balance exergético en una caldera. Rendimiento exergético Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [1/25] CALDERAS Objetivos 1. Conocer los distintos tipos de calderas así como su clasificación. 2. Conocer el principio de funcionamiento de las calderas acuotubulares y pirotubulares para identificar los flujos energéticos útiles y las pérdidas energéticas. 3. Realizar un balance energético y exergético en una caldera, determinando la localización y magnitud de las pérdidas energéticas y exergéticas. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [2/25]
  • 122. CALDERAS Definición, Introducción Los fluidos a altas temperaturas se emplean: Como materia prima del proceso. Como fuente de energía térmica para el proceso o calefacción. Como fuente para producir trabajo, Ej. en una turbina de vapor. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [3/25] CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS En función de la aplicación Calderas de calefacción y agua caliente sanitaria. Calderas industriales. Calderas para producción de energía. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [4/25]
  • 123. CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS Clasificación en función de la disposición De tubos de agua (acuotubulares). ◦ Compactas. Se trata de calderas que requieren de poca obra de albañilería para su instalación. ◦ No compactas. Requieren de gran parte de obra civil. De tubos de humo (pirotubulares). ◦ Calderas pirotubulares de carbón. ◦ Calderas pirotubulares de combustibles líquidos o gaseosos. • De hogar integral • De tubo hogar. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [5/25] CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS Clasificación según Norma UNE 9.002 (I) Por la transmisión del calor: ◦ De convección. ◦ De radiación. ◦ De radiación y convección. Por el combustible utilizado: ◦ De carbón (de parrilla mecánica o pulverizado). ◦ Para combustibles líquidos. ◦ Para combustibles gaseosos. ◦ Para combustibles especiales (lejías, resíduos vegetales o agrícolas, etc.). ◦ Para combustibles variados (calderas policombustibles). Por la presión de trabajo: ◦ Subcríticas: baja (p≤1 bar), media (1<p<13 bar) y alta presión (p>13 bar). ◦ Supercríticas. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [6/25]
  • 124. CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS Clasificación según Norma UNE 9.002 (II) Por el tiro: ◦ De tiro natural. El tiro se produce por la diferencia de densidad de los humos de los gases de combustión y el aire exterior. ◦ De tiro forzado: con hogar en sobrepresión, depresión o equilibrado. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [7/25] CALDERAS PIROTUBULARES Funcionamiento. Los gases pasan por el interior de tubos sumergidos en el interior de un volumen de agua, todo ello rodeado por una carcasa interior. Diseño limitado a 25 bar. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [8/25]
  • 125. CALDERAS PIROTUBULARES Esquema tridimensional AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [9/25] CALDERAS PIROTUBULARES Fotografía de la caldera en fabricación AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [10/25]
  • 126. CALDERAS PIROTUBULARES Fotografía caldera pirotubular AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [11/25] CALDERAS PIROTUBULARES Ventajas e inconvenientes V ENTAJAS E INCONVENIENTES DE LAS CALDERAS PIROTUBULARES : Ventajas: ◦ Gran volumen de agua. ◦ Menores fluctuaciones de presión. ◦ Alto rendimiento η ≥ 90◦ C. ◦ Menor coste inicial y bajos costes de mantenimiento. Inconvenientes: ◦ Limitaciones en presión y potencia. ◦ Riesgo de fuerte explosión. ◦ Problemas frecuentes cuando se instala sobrecalentador. ◦ Circulación de agua interior sin definir. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [12/25]
  • 127. CALDERAS PIROTUBULARES Instalación de economizador y sobrecalentador AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [13/25] CALDERAS ACUOTUBULARES Diseño El diseño de las calderas permite que puedan trabajar a altas presiones. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [14/25]
  • 128. CALDERAS ACUOTUBULARES Clasificación según Norma UNE 9.002 Por la circulación de los fluidos: de circulación natural, forzada, asistida o combinada. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [15/25] CALDERAS ACUOTUBULARES Disposición haz tubular AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [16/25]
  • 129. CALDERAS ACUOTUBULARES Ventajas e inconvenientes. V ENTAJAS E INCONVENIENTES DE LAS CALDERAS ACUOTUBULARES : Ventajas: ◦ Bajo riesgo de fuerte explosión por bajo volumen de agua. ◦ Circulación de agua interior definida. ◦ Instalación sencilla de sobrecalentador. Inconvenientes: ◦ Alto coste. ◦ Poca energía acumulada: funcionamiento variable. LECCIÓN 11: CALDERAS [17/25] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA CALDERAS Pérdidas energéticas en Calderas 1. P ÉRDIDAS POR LOS GASES DE ESCAPE Expresión de las pérdidas de calor en los gases de escape: Pgases ( %) = 100 × mg c p,g (tg,s − tre f ) ˙ m f PCI ˙ El calor específico medio, c p,g se puede tomar bien el correspondiente al aire seco (1,1 kJ/kg◦C) o bien determinarlo a partir de su composición. c p,g = i=n ∑ COMPi c p,i kJ/kg◦C i=1 Asimismo se puede emplear la expresión del tipo c p,g = M + N tg , donde los coeficientes M y N dependen del combustible, y del exceso del aire de la combustión. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [18/25]
  • 130. CALDERAS Pérdidas energéticas en Calderas 2. P ÉRDIDAS POR INQUEMADOS Se producen inquemados porque no todo el carbono y/o todo el hidrógeno contenido en el combustible se transforma en CO2 y en H2 O respectivamente. Además, aparecen las pérdidas por inquemados sólidos PIS o por hidrocarburos inquemados PCH . Las pérdidas totales por inquemados resultan: Pinq = PCO + PH2 + PIS + PCH Las pérdidas por inquemados se pueden calcular mediante esta expresión teórico-experimental. Pinq ( %) = CH OP 21 CO + + × 21 − O2 3100 1000 65 siendo O2 el % de O2 en los gases, CO las ppm de CO en los gases, CH las ppm de CH en los gases (hidrocarburos) y OP la opacidad de los gases ( %). AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [19/25] CALDERAS Pérdidas energéticas en Calderas 3. P ÉRDIDAS POR LAS PAREDES i=n Ppar = ∑ Ai he (t p,ext − tamb) i=1 donde Ai están a t p,ext y he = he,R + he,C . Convección natural. Caldera en interior de edificio √ ◦ Pared horizontal: he,C = 2,8 4 t p,ext − tamb ◦ Pared vertical: he,C = 1,18 4 (t p,ext − tamb )/H ◦ Pared cilíndrica: he,C = 1,13 4 (t p,ext − tamb )/de Convección forzada. Caldera al aire libre. ◦ he,C = 4,88 + 3,6V , donde V es la velocidad del viento en m/s. Radiación. ◦ he,R = 4,96 × 10−8ε(t p,ext + 273)4 − (tamb + 273)4 /(t p,ext − tamb). AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [20/25]
  • 131. CALDERAS Pérdidas energéticas en Calderas 4. P ÉRDIDAS POR PURGAS Se realiza un balance entre los sólidos disueltos (SD) en el agua de purga y de aporte ˙ ˙ ˙ m pur SDcaldera = (mv − mc )SDaporte + m pur SDaporte ˙ m pur = ˙ SDaporte (mv − mc ) ˙ ˙ SDcaldera − SDaporte AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [21/25] CALDERAS Pérdidas energéticas en Calderas 4. P ÉRDIDAS POR PURGAS El gasto másico de purga en % del vapor que no retorna resulta: Purga( %) = 100 × m pur ˙ SDaporte = 100 × mv − mc ˙ ˙ SDcaldera − SDaporte La pérdida de energía se calculará mediante: Ppur ( %) = 100 × m pur (h purg − haporte ) ˙ m f PCI ˙ En calderas de alta presión, el caudal de purgas se calcula AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [22/25]
  • 132. CALDERAS Balance energético. Rendimiento energético R ENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UNA CALDERA Energía útil Rendimiento η( %) = 100 × Energía consumida Método directo del cálculo del rendimiento. Si se dispone de la instrumentación adecuada, se puede calcular directamente el rendimiento η( %) = 100 × ˙ m1 (hv1,s − hag,e ) + m2(hv2,s − hag,e ) ˙ m f PCI ˙ Método indirecto o de separación de pérdidas. Empleando el concepto de energía útil, el rendimiento de la caldera será: Pérdidas Energía consumida = 100 − Pgas ( %) − Pinq ( %) − Ppur ( %) − Ppar ( %). η( %) = 100 × 1 − LECCIÓN 11: CALDERAS [23/25] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA CALDERAS Balance exergético. Rendimiento exergético R ENDIMIENTO EXERGÉTICO DE UNA CALDERA Rendimiento exergético ηex ( %) = 100 × Exergía útil Exergía consumida Método directo del cálculo del rendimiento. Si se dispone de la instrumentación adecuada, se puede calcular directamente el rendimiento η( %) = 100 × ˙ m1 (hv1,s − hag,e ) + m2(hv2,s − hag,e ) ˙ m f PCI ˙ Método indirecto o de separación de pérdidas. Empleando el concepto de energía útil, el rendimiento de la caldera será: Pérdidas Energía consumida = 100 − Pgas ( %) − Pinq ( %) − Ppur ( %) − Ppar ( %). η( %) = 100 × 1 − AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [24/25]
  • 133. LECCIÓN 11. CALDERAS Bibliografía Bibliografía recomendada: Molina, L.A., Molina, G., 1993, capítulo 2. Molina, L.A., Alonso J.M., 1996, capítulo 2. Hernández, J.J., Lapuerta, M, 1998, capítulos 5 y 7. CEE, Libro II. Generación de Vapor, 1983, capítulos 2, 3 y 4. CEE, Tomo 1, Fundamentos y ahorro en operaciones, 1982, pp. 133-175. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 11: CALDERAS [25/25]
  • 134. LECCIÓN 12. HORNOS INDUSTRIALES 12.1 Características de los hornos. Clasificación 12.1 Tipos de hornos 12.1 Pérdidas de calor en los hornos. 12.1 Balances de masa y energía en hornos. Rendimientos Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [1/27] HORNOS INDUSTRIALES Objetivos O BJETIVOS E SPECÍFICOS DE LA L ECCIÓN Al finalizar la lección, el estudiante deberá ser capaz de: 1. Conocer las características de los hornos industriales más empleados 2. Conocer el principio de funcionamiento de distintos hornos para identificar los flujos energéticos útiles y las pérdidas energéticas que se producen. 3. Realizar un balance energético y exergético en un hormo, determinando la localización y magnitud de las pérdidas energéticas y exergéticas. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [2/27]
  • 135. HORNOS INDUSTRIALES Definición, Introducción Aplicaciones de los hornos industriales: Cambiar las propiedades físicas del producto: ◦ Fundición de acero, aluminio, cobre, polímeros. ◦ Tratamientos térmicos: recocido, normalizado, temple. Preparar la carga para un posterior tratamiento a alta temperatura: ◦ Ablandar para un posterior conformado en caliente, estampación o laminación. ◦ Recubrimientos térmicos: galvanizado, esmaltado, pinturas. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [3/27] HORNOS INDUSTRIALES Definición, Introducción Los hornos producen transformaciones energéticas mediante: Calor sensible. Calentamiento de la carga (fácilmente recuperable). Calor latente. Cambios de estado. Calor de reacción. Reacciones endotérmicas o exotérmicas. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [4/27]
  • 136. HORNOS INDUSTRIALES Aplicaciones industriales Industria metalúrgica. Principalmente fundición de aceros, aluminio o cobre, en procesos como colada, conformado, templado, recocido o revenido. Sector cerámico. Cocción de refractarios, porcelanas, ladrillos, bovedillas, gres, o azulejos. Sector vídrio. Fundición de la materia prima. Sector automoción, auxiliares y productos manufacturados: aplicaciones muy variadas donde se incluyen una gran cantidad de tratamientos térmicos y superficiales. Sector químico. Procesos de cristalización. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [5/27] HORNOS INDUSTRIALES Elementos de los hornos Los hornos industriales se pueden clasificar en primer lugar en hornos de llamas y hornos eléctricos. En cualquier caso los hornos suelen contener los siguientes elementos: Precalentador. Es un intercambiador gas-gas para aprovechar la energía residual de los gases de escape. Hogar o quemadores. Lugar donde se produce la combustión. Laboratorio o solera. Elemento donde se sitúa la carga a tratar. Carcasa aislante. Es la envolvente del horno que minimiza las pérdidas de calor. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [6/27]
  • 137. HORNOS INDUSTRIALES Clasificación de los Hornos Por la naturaleza de la carga: sólida (Pulverulenta, granulada o conformada), líquida o gaseosa Por el objetivo del calentamiento: secado, fusión, vaporización, recristalización Por la fuente de energía: combustibles (sólidos, líquidos o gaseosos), energía eléctrica, mixtos. Por la temperatura del horno: baja (T <500 ◦ C), media (500 <T <1000 ◦ C), alta (T >1000 ◦ C), variable según un ciclo previamente programado. Por el soporte de la carga: con o sin solera, solera fija o móvil. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [7/27] HORNOS INDUSTRIALES Hornos de fusión. Horno de arco AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [8/27]
  • 138. HORNOS INDUSTRIALES Hornos de fusión. Horno de arco AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [9/27] HORNOS INDUSTRIALES Hornos de inducción AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [10/27]
  • 139. HORNOS INDUSTRIALES Hornos de crisol AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [11/27] HORNOS INDUSTRIALES Hornos de reverbero AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [12/27]
  • 140. HORNOS INDUSTRIALES Hornos rotatorios AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [13/27] HORNOS INDUSTRIALES Hornos de cuba AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [14/27]
  • 141. HORNOS INDUSTRIALES Altos hornos AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [15/27] HORNOS INDUSTRIALES Hornos continuos AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [16/27]
  • 142. HORNOS INDUSTRIALES Hornos de trat. térmicos. De tipo canal AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [17/27] HORNOS INDUSTRIALES Balance energético en hornos A PORTES DE CALOR Calor de combustión: ˙ Q f = m f PCI ˙ Calor sensible del aire precalentado: ˙ Qa = ma c p,a (ta − tre f ) ˙ Calor sensible del combustible precalentado: ˙ Qs f = m f c p, f (t f − tre f ) ˙ Calor de reacciones exotérmicas. ˙ Qex = mes hox ˙ En el caso de la industria siderúrgica, se produce una masa de escorias mes que produce un calor de hox = 5650 kJ/kg. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [18/27]
  • 143. HORNOS INDUSTRIALES Balance energético en hornos A BSORCIÓN DE CALOR Calor para aumentar el calor sensible de la carga: ˙ Qc = mc (c p,cs tc,s − c p,ce tc,e ) donde c p,cs es el calor específico medio entre tre f y la temperatura de salida de la carga tc,s , y c p,ce es el calor específico medio entre tre f y la temperatura de entrada de la carga tc,e . En su caso se le añadirá el calor de fusión. Idem con el calor de reacciones endotér˙ micas, cambios de fase o recritalizaciones Qen . LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [19/27] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA HORNOS INDUSTRIALES Balance energético en hornos P ÉRDIDAS ASOCIADAS AL PROCESO DE COMBUSTIÓN Pérdidas de calor en los humos: Phumos ( %) = 100 × m f (1 + n F) c p,g (tg − ta) ˙ mg c p,g (tg − ta) ˙ = 100 × m f PCI ˙ m f PCI ˙ Phumos ( %) = 100 × (1 + n F) c p,g (tg − ta) PCI Pérdidas por inquemados: Pinq ( %) = CH OP 21 CO + + × 21 − O2 3100 1000 65 siendo O2 el % de O2 en los gases, CO las ppm de CO en los gases, CH las ppm de CH en los gases (hidrocarburos) y OP la opacidad de los gases ( %). AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [20/27]
  • 144. HORNOS INDUSTRIALES Balance energético en hornos P ÉRDIDAS ASOCIADAS AL HORNO P ÉRDIDAS POR LAS PAREDES : 1 1 ∆x23 ∆x34 1 + + . = + U hi k23 k34 he Si se conoce t1 y t5 , la pérdida de calor se puede hallar mediante: Ppar = U A (t1 − t5), LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [21/27] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA HORNOS INDUSTRIALES Balance energético en hornos P ÉRDIDAS ASOCIADAS AL HORNO P ÉRDIDAS POR LAS PAREDES : i=n Ppar = ∑ Ai he (t p,ext − tamb) i=1 Muro de obra de fábrica: horizontal vertical he = 9,4 + 0,057t4 he = 7,1 + 0,057t4 Pared color aluminio: horizontal vertical he = 8,6 + 0,039t4 he = 6,3 + 0,039t4 Expresión adicional para determinar Pp ar en W/m2 : 1,25 Ppar = K (t4 − t5) + 5, 67ε AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA t4 + 273 100 4 t5 + 273 − 100 4 , LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [22/27]
  • 145. HORNOS INDUSTRIALES Balance energético en hornos P ÉRDIDAS ASOCIADAS AL HORNO P ÉRDIDAS POR CALOR EN EL REVESTIMIENTO : En hornos con funcionamiento intermitente, todo el calor acumulado en el revestimiento se pierde. Prev = mrev c p,rev (tm,rev − text ) donde mrev es la masa del revestimiento del horno, c p,rev el calor específico medio de los materiales que componen el horno, tm,rev la temperatura media del revestimiento y text la temperatura exterior (en el caso de que ésta sea la temperatura final del revestimiento del horno). AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [23/27] HORNOS INDUSTRIALES Balance energético en hornos P ÉRDIDAS ASOCIADAS AL HORNO P ÉRDIDAS POR ESCORIAS : Las pérdidas por escorias en un horno de fusión son: ˙ Pesc = mesc c p,esc (tesc,s − tre f ) ˙ OTRAS PÉRDIDAS EN EL HORNO (Presto ): Pérdidas por agua de refrigeración Pérdidas por aberturas Cuando existe incertidumbre en el cálculo de pérdidas, se mayoran un 10 %. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [24/27]
  • 146. HORNOS INDUSTRIALES Balance energético en hornos El balance energético de los flujos de energía entrantes y salientes resulta: m f PCI + m f c p, f (t f −tre f ) + ma c p,a (ta −tre f ) + mc c p,ce (tce −tre f ) + ˙ ˙ ˙ ˙ Qex = mge c p, ge (tge −tre f ) + mc c p,cs (tcs −tre f ) + Qen + ∑ P. ˙ ˙ AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [25/27] HORNOS INDUSTRIALES Rendimiento en Hornos Rendimiento de la combustión: ˙ ˙ ˙ ˙ ˙ ˙ ˙ Qaporte − Pcombustion Q f + Qa + Qs f − Phumos − Pinq ηcomb = = ˙ ˙ Qf Qf Se denomina rendimiento interno del horno ηi,horno ηi,horno = ˙ Qc ˙ ˙ ˙ ˙ ˙ ˙ Qc + Qen + Pesc + Ppar + Prev + Presto ηi,horno = ˙ Qc ˙ ˙ ˙ ˙ ˙ Q f + Qa + Qs f + Qex − Phumos − Pinq El rendimiento total del proceso será: ηhorno = ηcomb ηi,horno AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [26/27]
  • 147. LECCIÓN 12. HORNOS INDUSTRIALES Bibliografía Manuales Técnicos y de instrucción para Conservación de Energía. Tomo 11 Hornos Industriales. CEE. Hornos industriales, capítulo 12. Molina L.A. y Molina G. (1993), capítulo 3. ASHRAE Handbook Fundamentals, capítulo 17. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 12: HORNOS INDUSTRIALES [27/27]
  • 148. LECCIÓN 13. SECADEROS INDUSTRIALES 13.1 Tipos de secaderos industriales 13.2 Funcionamiento de los secaderos de convección 13.3 Balance de masa y energía en secaderos de aire caliente 13.4 Balance de masa y energía en secaderos de gases calientes Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 13: SECADEROS INDUSTRIALES [1/16] SECADEROS Objetivos 1. Conocer las características de los secaderos industriales más empleados 2. Conocer el principio de funcionamiento de los secaderos industriales para identificar los flujos energéticos útiles y las pérdidas energéticas. 3. Realizar un balance de masa y energía en secaderos de convección, determinando la localización y magnitud de las pérdidas energéticas. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 13: SECADEROS INDUSTRIALES [2/16]
  • 149. SECADEROS Introducción Instalaciones o equipos cuyo objetivo es la extracción parcial de agua o de otro líquido disolvente como alcohol o eter A PLICACIONES : 1. Industria papelera. Fabricación de pasta, concentrado y papel 2. Industria agroalimentaria. Preparación de azúcar, cereales, forrajes, deshidratación en general. 3. Industria química. Secaderos continuos o parciales para distintos procesos. 4. Industria del cemento. Hornos de cocción con secciones de secado. 5. Minería. Operaciones extractivas y de preparación de los minerales. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 13: SECADEROS INDUSTRIALES [3/16] SECADEROS Introducción La humedad del producto puede ser: 1. Superficial. Cuando está simplemente adherida 2. Capilar. Si está entre los poros 3. Constitucional. Cuando impregna toda la masa AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 13: SECADEROS INDUSTRIALES [4/16]
  • 150. SECADEROS Introducción P ROCEDIMIENTOS DE DESECACIÓN : Desecación natural. Cuando se realiza al aire ambiente o mediante ventilación. Desecación artificial. Se puede realizar mediante diferentes métodos: ◦ Mecánicamente, por prensado, aspiración, centrifugado o filtración. ◦ Por procesos físico-químicos donde la humedad es absorbida por sustancias hidroscópicas. ◦ Térmicamente con aire o gases. Calentamiento directo por contacto superficial o en contacto con aire seco o radiación. ◦ Térmicamente sin aire. Evaporación al vacío o por calentamiento dieléctrico. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 13: SECADEROS INDUSTRIALES [5/16] SECADEROS Tipología. Secador de tambor por vapor AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 13: SECADEROS INDUSTRIALES [6/16]
  • 151. SECADEROS Tipología. Secador de tambor por gases calientes AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 13: SECADEROS INDUSTRIALES [7/16] SECADEROS Tipología. Armario de secado por circulación de aire caliente AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 13: SECADEROS INDUSTRIALES [8/16]
  • 152. SECADEROS Tipología. Secadero de banda por radiación infrarroja AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 13: SECADEROS INDUSTRIALES [9/16] SECADEROS Tipología. Secadero de papel AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 13: SECADEROS INDUSTRIALES [10/16]
  • 153. SECADEROS Funcionamiento de secaderos de convección F ENÓMENOS FÍSICOS EN EL SECADO : Movimiento interno de la humedad. Eliminación externa de la humedad. Tiempos de secado. Se realiza en 3 etapas: ◦ Periodo A-B. Calentamiento inicial. ◦ Periodo B-C. v de secado constante. ◦ Periodo C-D. Secado condicionado por el movimiento interno de la humedad Humedad crítica. Humedad de equilibrio. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 13: SECADEROS INDUSTRIALES [11/16] SECADEROS Eficiencia en secaderos de convección E FICIENCIA DE UN SECADERO DE CONVECCIÓN : Calor utilizado en el secado Ef = Calor utilizado en el secado + Calor perdido a la salida del secadero S ECADERO DE CONVECCIÓN SIMPLE : T1 − T2 Ef = T1 − Ta S ECADERO DE CONVECCIÓN SIMPLE : T1 − T2 Ef = (T1 − T2 ) + (1 − x)(T2 − Ta ) AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 13: SECADEROS INDUSTRIALES [12/16]
  • 154. SECADEROS Balance de masa y energía en un secadero de aire AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 13: SECADEROS INDUSTRIALES [13/16] SECADEROS Secadero de aire caliente en varias cámaras AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 13: SECADEROS INDUSTRIALES [14/16]
  • 155. SECADEROS Balance de masa y energía en un secadero de gases AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 13: SECADEROS INDUSTRIALES [15/16] SECADEROS Bibliografía CEE. Hornos industriales. Capítulo 12. Molina L.A. y Molina G. (1993), capítulo 4. ASHRAE Handbook Fundamentals. Capítulo 22. AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA LECCIÓN 13: SECADEROS INDUSTRIALES [16/16]
  • 156. LECCIÓN 14 EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO Índice de Contenidos: 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 Introducción Interdependencia de los distintos componentes de la máquina frigorífica Funcionamiento global del sistema. Mejoras Incidencia de los parámetros sobre el funcionamiento Ejemplo de análisis de la instalación Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. TEN LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [1/19] PRODUCCIÓN DE FRÍO Objetivos 1. Calcular numéricamente cómo afectan distintos parámetros en la potencia del equipo frigorífico y por tanto en el coste energético de funcionamiento. 2. Ser consciente de que los errores en el diseño, ejecución y mantenimiento de una instalación frigorífica repercuten considerablemente en el consumo energético de la misma. 3. Determinar dónde se producen las irreversibilidades del ciclo y cuantificarlas. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [2/19]
  • 157. PRODUCCIÓN DE FRÍO Introducción ”El diseño de cualquier sistema industrial debe realizarse bajo un criterio de máxima calidad ” Satisfacer las necesidades del usuario: Cumpliendo la legislación vigente. Produciendo el frío necesario. Consumiendo el mínimo de energía. Se requiere formación de los técnicos proyectistas: Conocimientos técnicos y de la legislación. Formación en ”Ahorro Energético”. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [3/19] PRODUCCIÓN DE FRÍO Introducción Una instalación frigorífica se puede definir de modo global como un equipo de producción de frío a partir de energía eléctrica. Que una instalación frigorífica funcione con un bajo consumo energético depende de: ◦ Del correcto diseño de la instalación. ◦ De la correcta selección de los equipos. ◦ Del correcto diseño de los distintos equipos. ◦ De una adecuada ejecución de la obra. ◦ De cómo de hace funcionar la instalación. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [4/19]
  • 158. PRODUCCIÓN DE FRÍO Estudio de medidas de eficiencia energética Medidas de ahorro energético. El ahorro energético se entiende como inherente al diseño de la instalación. Se deben ponderar los costes de inversión con los costes de funcionamiento. Medidas de eficiencia energética. Se trata de medidas a tomar para conseguir un correcto funcionamiento de la instalación. Evitar despilfarros de energía por: ◦ Mal funcionamiento o ajuste de alguno de los equipos. ◦ Mal ajuste o regulación de la instalación. ◦ Deficiencias en los aislantes. ◦ Deficiencias en la propia operación. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [5/19] PRODUCCIÓN DE FRÍO Estudio de medidas de eficiencia energética El coste de la energía eléctrica en la producción de frío es una parte muy importante en los costes de funcionamiento de empresas como las dedicadas a la conservación de alimentos. La reducción de estos costes redunda de forma positiva en la propia competitividad de la empresa. Es deseable proponer medidas de ahorro y eficiencia energética que se vayan a adoptar lleven asociado un ahorro económico que justifique su ejecución. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [6/19]
  • 159. PRODUCCIÓN DE FRÍO Funcionamiento de una instalación frigorífica T IPOS DE MEJORAS : Mejorar el COP: Conseguir la misma potencia frigorífica con menor potencia eléctrica Disminuir la demanda: Reducir la potencia frigorífica demandada AMMT UMH. TEN LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [7/19] PRODUCCIÓN DE FRÍO Mejorar del COP D ISMINUCIÓN DE LA TEMPERATURA DE CONDENSACIÓN : A menor temperatura de condensación tC , menor presión de condensación pC , menor potencia de compresión y mayor rendimiento del compresor. Condensación agua vs. condensación aire. ◦ En condensación por aire: ∆t = 15K (∆t = ta,con − taire ). ◦ Condensación por agua y torre: ∆t = 15K (∆t = ta,con − tbulbo,hum ). ◦ Condensador evaporativo: ∆t = 10K (∆t = ta,con − tbulbo,hum ). Tamaño del condensador (∆tC ), grado de subenfriamiento. Límite por mal funcionamiento de la válvula de expansión. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [8/19]
  • 160. PRODUCCIÓN DE FRÍO Mejorar del COP AUMENTO DE LA TEMPERATURA DE EVAPORACIÓN : A menor temperatura de evaporación tE , menor presión de evaporación pE , mayor potencia de compresión y menor rendimiento del compresor. Tamaño del evaporador. ∆tC . Límite por mal funcionamiento de la válvula de expansión. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [9/19] PRODUCCIÓN DE FRÍO Mejorar el COP G RUPO DE COMPRESIÓN : Se debe analizar el número de compresores idóneo para cada régimen de trabajo. Se deben conseguir los siguientes objetivos: Capacidad de regulación. Funcionamiento eficiente a distintos regímenes de funcionamiento. Fiabilidad. La instalación debe funcionar aunque se produzca la parada de un compresor. Rendimiento. La selección del tipo de compresor debe realizarse en base al rendimiento del mismo. Estudiar para cada régimen de funcionamiento la relación de compresión Pc /Pe , a la que se va a hacer trabajar cada compresor. A menor Pc /Pe mayor C.O.P. Velocidad del compresor. A mayor velocidad de los compresores más capacidad frigorífica pero mayores costes de mantenimiento y menor vida útil. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [10/19]
  • 161. PRODUCCIÓN DE FRÍO Mejorar el COP P ÉRDIDAS DE CARGA : Las pérdidas de carga de las líneas frigoríficas afectan negativamente al COP AMMT UMH. TEN LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [11/19] PRODUCCIÓN DE FRÍO Disminución de la carga térmica. G ENERALIDADES Reducir la carga térmica reduce el consumo energético y por tanto los costes de operación. El punto de diseño de la instalación es el punto correspondiente a la carga pico. Debe asegurarse que la instalación funcionará eficientemente durante todo el año: ◦ Correcta selección del número y control de compresores. ◦ Correcta selección de evaporadores y condensadores. ◦ Evaluación de ahorros mediante variaciones de la carga o almacenemiento de energía. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [12/19]
  • 162. PRODUCCIÓN DE FRÍO Disminución de la carga térmica. E N CÁMARAS FRIGORÍFICAS : Cargas del producto: ◦ Calor sensible, latente, de reacción y de evaporación. ◦ Estudio de las posibilidades de enfriamiento por freecooling. Evitar sobreenfriamientos. Cargas auxiliares: ◦ Transmisión de calor a través de cerramientos. ◦ Infiltraciones. Puertas (10 - 20 %). Cámara de −28◦C: puerta abierta vs. cortina de aire vs. doble puerta con cortina de lamas. ◦ Desercarches. Eficiencia del desercarche según tipo. ◦ Ventiladores. Potencia proporcional al caudal al cubo. ◦ Iluminación. Incandescentes 14 lm/W, fluorescente 60 lm/W. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [13/19] PRODUCCIÓN DE FRÍO Disminución de la carga térmica. E N CLIMATIZACIÓN DE EDIFICIOS : Calor a través de los cerramientos: muros y ventanas Infiltraciones a través de puertas y ventanas. Renovación del aire interior. Condiciones interiores de confort. Zonificación. Iluminación y motores. Ventiladores y bombas. Potencia proporcional al caudal al cubo. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [14/19]
  • 163. PRODUCCIÓN DE FRÍO Análisis del funcionamiento de una instalación E JEMPLO CICLO SIMPLE R22 Temperatura ambiente: To = 30◦C Temperatura de la cámara: TR = −10◦C Carga de refrigeración: Qe = 7kW Potencia del compresor: Pc = 2, 5kW AMMT UMH. TEN PUNTO 1 2 3 4 5 6 7 T (ºC) -10 -4 82 70 34 33 -12,8 P (kPa) 310 304 1450 1435 1410 1405 320 h (kJ/kg) s (kJ/kg K) 402,2 1,781 406,4 1,799 454,8 1,819 444,9 1,791 241,9 1,142 240,6 1,138 240,6 1,158 LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [15/19] PRODUCCIÓN DE FRÍO Análisis del funcionamiento de una instalación E JEMPLO CICLO SIMPLE R22 Temperatura ambiente: To = 30◦C Temperatura de la cámara: TR = −10◦C Carga de refrigeración: Qe = 7kW Potencia del compresor: Pc = 2, 5kW AMMT UMH. TEN PUNTO 1 2 3 4 5 6 7 T (ºC) -10 -4 82 70 34 33 -12,8 P (kPa) 310 304 1450 1435 1410 1405 320 h (kJ/kg) s (kJ/kg K) ex (kJ/kg) 402,2 1,781 33,84 406,4 1,799 32,71 454,8 1,819 75,17 444,9 1,791 73,61 241,9 1,142 67,47 240,6 1,138 67,45 240,6 1,158 61,31 LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [16/19]
  • 164. PRODUCCIÓN DE FRÍO Análisis del funcionamiento de una instalación P [kPa] 104 1,7 R22 1,8 60°C 4 65 103 1, 9 25°C 3 2 -4,21°C 1 7 2 2, 1 kJ /k gK -30°C 102 0,2 3x101 150 200 0,4 250 0,6 300 0,8 350 400 450 500 h [kJ/kg] AMMT UMH. TEN LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [17/19] PRODUCCIÓN DE FRÍO Conclusiones finales de la lección T IPOS DE MEJORAS : Mejorar el COP: Conseguir la misma potencia frigorífica con menor potencia eléctrica Disminuir la demanda: Reducir la potencia frigorífica demandada AMMT UMH. TEN LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [18/19]
  • 165. LECCIÓN 14. PRODUCCIÓN DE FRÍO Bibliografía Bibliografía recomendada: Bermúdez, V., 2000, capítulo 7. Torrella, E., 1996, capítulo 2. ASHRAE Handbook Fundamentals, capítulo 1. CEE, Tomo 1, Fundamentos y ahorro en operaciones, 1982, pp. 315-345. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 14: EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE FRÍO [19/19]
  • 166. LECCIÓN 15. TURBINAS DE VAPOR 15.1 15.2 15.3 15.4 Introducción El ciclo de Rankine Sobrecalentamiento y recalentamiento El ciclo de potencia regenerativo Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández LECCIÓN 15: TURBINAS DE VAPOR [1/15] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 1
  • 167. TURBINAS DE VAPOR Objetivos 1. El estudiante será capaz describir el esquema de un ciclo potencia de vapor. 2. Representar el ciclo Rankine en un diagrama T-s. 3. Utilizar las tablas y el diagrama de Mollier para el cálculo de entalpías en la región de vapor sobrecalentado. 4. Describir las modificaciones que se realizan al ciclo ideal para aumentar el rendimiento térmico. LECCIÓN 15: TURBINAS DE VAPOR [2/15] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 2
  • 168. TURBINAS DE VAPOR Introducción El objetivo de las centrales térmicas es el de realizar una transformación energética entre la energía química de un combustible a energía eléctrica. Transformaciones energéticas: Energía química - energía térmica - energía mecánica - energía eléctrica Las centrales térmicas se clasifican: Centrales de vapor Centrales de turbinas de gas Centrales de ciclo combinado Centrales diesel LECCIÓN 15: TURBINAS DE VAPOR [3/15] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 3
  • 169. TURBINAS DE VAPOR Ciclo de Rankine LECCIÓN 15: TURBINAS DE VAPOR [4/15] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 4
  • 170. TURBINAS DE VAPOR Ciclo de Rankine LECCIÓN 15: TURBINAS DE VAPOR [5/15] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 5
  • 171. TURBINAS DE VAPOR Consideraciones sobre el ciclo de Rankine. Efectos de Palta y Pba ja . LECCIÓN 15: TURBINAS DE VAPOR [6/15] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 6
  • 172. TURBINAS DE VAPOR Consideraciones sobre el ciclo de Rankine. Comparación del ciclo de Rankine con el ciclo de Carnot. LECCIÓN 15: TURBINAS DE VAPOR [7/15] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 7
  • 173. TURBINAS DE VAPOR Consideraciones sobre el ciclo de Rankine. Irreversibilidades y pérdidas ◦ Turbina ◦ Bomba ◦ Irreversibilidades externas • Combustión • Transmisión de calor entre los humos y el vapor • Transmisión de calor al agua de refrigeración • Pérdidas de calor en equipos y tubería • Pérdidas de presión en tuberías LECCIÓN 15: TURBINAS DE VAPOR [8/15] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 8
  • 174. TURBINAS DE VAPOR Ciclo de Rankine con sobrecalentamiento LECCIÓN 15: TURBINAS DE VAPOR [9/15] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 9
  • 175. TURBINAS DE VAPOR Ciclo de Rankine con recalentamiento intermedio LECCIÓN 15: TURBINAS DE VAPOR [10/15] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 10
  • 176. TURBINAS DE VAPOR Ciclo de Rankine con precalentamiento regenerativo LECCIÓN 15: TURBINAS DE VAPOR [11/15] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 11
  • 177. TURBINAS DE VAPOR Ciclo de Rankine con precalentamiento regenerativo LECCIÓN 15: TURBINAS DE VAPOR [12/15] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 12
  • 178. TURBINAS DE VAPOR Ciclo de Rankine con precalentamiento regenerativo LECCIÓN 15: TURBINAS DE VAPOR [13/15] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 13
  • 179. TURBINAS DE VAPOR Ejemplo de central térmica LECCIÓN 15: TURBINAS DE VAPOR [14/15] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 14
  • 180. TURBINAS DE VAPOR Bibliografía Bibliografía: Cengel, Y.A., Boles, M.A., 2003, capítulo 9. Moran, M.J., Shapiro, H.N., 2004, capítulo 8. Agüera, J., 1999, capítulo 6. Wark, K., 1991, capítulo 17. LECCIÓN 15: TURBINAS DE VAPOR [15/15] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 15
  • 181. LECCIÓN 16. TURBINAS DE GAS 16.1 Introducción 16.2 Ciclo Braytonsimple(ideal-real) 16.3 Turbina de gas regenerativa 16.4 Turbina de gas regenerativa con recalentamiento y refrigeración 16.5 Turbinas de gas para propulsión aérea 16.6 Ciclos combinados Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández LECCIÓN 16: TURBINAS DE GAS [1/16] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 1
  • 182. TURBINAS DE GAS Objetivos 1. El estudiante será capaz describir el esquema de un ciclo potencia de gas. 2. Representar el ciclo Brayton ideal y real en un diagrama h-s. 3. Describir las modificaciones que se realizan al ciclo ideal para aumentar el rendimiento térmico. 4. Analizar la influencia del rendimiento de compresión y expansión y de la efectividad del regenerador en el rendimiento térmico del ciclo. LECCIÓN 16: TURBINAS DE GAS [2/16] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 2
  • 183. TURBINAS DE GAS Introducción U TILIZACIÓN Aeronáutica Producción de electricidad Industria Marina LECCIÓN 16: TURBINAS DE GAS [3/16] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 3
  • 184. TURBINAS DE GAS Introducción V ENTAJAS Alta potencia específica Pequeño tamaño Bajo nivel vibratorio Alta fiabilidad Bajo mantenimiento LECCIÓN 16: TURBINAS DE GAS [4/16] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 4
  • 185. TURBINAS DE GAS Introducción I NCONVENIENTES Bajo rendimiento térmico (Ciclo simple) Combustibles: GN, Keroseno Altas emisiones de NO, NO2 Regulación de la carga Ruido LECCIÓN 16: TURBINAS DE GAS [5/16] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 5
  • 186. TURBINAS DE GAS El ciclo Brayton de aire estándar LECCIÓN 16: TURBINAS DE GAS [6/16] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 6
  • 187. TURBINAS DE GAS El ciclo Brayton de aire estándar A IRE ESTÁNDAR Relación aire-combustible muy alta El fluido de trabajo es siempre aire y se comporta como gas ideal El proceso de combustión se sustituye por una transferencia de calor con una fuente externa El proceso de escape se sustituye por una transferencia de calor con una fuente externa A IRE ESTÁNDAR FRÍO Aire estándar donde se considera c p constante LECCIÓN 16: TURBINAS DE GAS [7/16] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 7
  • 188. TURBINAS DE GAS El ciclo Brayton de aire estándar A IRE ESTÁNDAR pr2 p2 = pr1 p1 pr4 p4 = pr3 p3 A IRE ESTÁNDAR FRÍO (c p = CTE ) T2 = T1 p2 p1 (k−1)/k T4 = T3 p4 p3 (k−1)/k LECCIÓN 16: TURBINAS DE GAS [8/16] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 8
  • 189. TURBINAS DE GAS El ciclo Brayton de aire estándar Trabajo turbina: ˙ Wt = (h3 − h4) m ˙ Trabajo compresor: ˙ Wc = (h2 − h1) m ˙ Calor de entrada: ˙ Qe = (h3 − h2) m ˙ Calor cedido: ˙ Qs = (h4 − h1) m ˙ Relación de trabajos: Rendimiento térmico: rw = η= ˙ h2 − h1 Wt = ˙ Wc h3 − h4 ˙ ˙ Wt − Wc (h3 − h4) − (h2 − h1) = ˙ (h3 − h2) Qs LECCIÓN 16: TURBINAS DE GAS [9/16] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 9
  • 190. TURBINAS DE GAS El ciclo Brayton de aire estándar P RINCIPALES IRREVERSIBILIDADES . Compresor y turbina no adiabáticos Pérdidas de presión en el combustor Irrevessibilidades en compresor y turbina ηt = h3 − h4 h3 − h4s ηc = h2s − h1 h2 − h1 LECCIÓN 16: TURBINAS DE GAS [10/16] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 10
  • 191. TURBINAS DE GAS Mejoras en el ciclo de Brayton T URBINA DE GAS REGENERATIVA . Aprovechamiento de la energía de los humos LECCIÓN 16: TURBINAS DE GAS [11/16] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 11
  • 192. TURBINAS DE GAS Mejoras en el ciclo de Brayton R EFRIGERACIÓN . Compresión multietapa con refrigeración LECCIÓN 16: TURBINAS DE GAS [12/16] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 12
  • 193. TURBINAS DE GAS Mejoras en el ciclo de Brayton R ECALENTAMIENTO . Expansión en varias etapas con recalentamiento intermedio LECCIÓN 16: TURBINAS DE GAS [13/16] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 13
  • 194. TURBINAS DE GAS Mejoras en el ciclo de Brayton T URBINA DE GAS REGENERATIVA CON RECALENTAMIENTO Y REFRIGERACIÓN LECCIÓN 16: TURBINAS DE GAS [14/16] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 14
  • 195. TURBINAS DE GAS Ciclo combinado LECCIÓN 16: TURBINAS DE GAS [15/16] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 15
  • 196. TURBINAS DE GAS Bibliografía Bibliografía: Cengel, Y.A. y Boles, M.A., 2003, capítulo 8 Moran, M.J. y Shapiro, H.N., 2004, capítulo 9 Wark, K., 1991, capítulo 16 LECCIÓN 16: TURBINAS DE GAS [16/16] AMMT UMH. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA 16
  • 197. LECCIÓN 17. COGENERACIÓN Índice de Contenidos: 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 Introducción Beneficios de la cogeneración Clasificación de los sistemas Tecnologías de los sistemas de cogeneración. Comparación Modos de operación Aplicaciones Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [1/26] 1
  • 198. COGENERACIÓN Objetivos 1. Conocer los fundamentos de la cogeneración y su finalidad. 2. Conocer las tecnologías que se aplican en la cogeneración y las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas. 3. Calcular el rendimiento eléctrico equivalente de un grupo de cogeneración. 4. Seleccionar el grupo de cogeneración más idóneo en función de la aplicación particular. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [2/26] 2
  • 199. COGENERACIÓN Introducción La cogeneración es un sistema de producción conjunta de electricidad (o energía mecánica) y de energía térmica útil partiendo de un único combustible, objeniéndose rendimientos globales muy elevados. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [3/26] 3
  • 200. COGENERACIÓN Ahorros energéticos en la cogeneración Comparativa de ahorro energía primaria en un sistema de cogeneración frente al sistema convencional para 30 ud. de en. eléctrica y 55 ud. de en. térmica. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [4/26] 4
  • 201. COGENERACIÓN Beneficios de la cogeneración en el ámbito comunitario 1. Reducción de pérdidas en las redes de transporte y distribución, gracias a su carácter de producción distribuida. 2. Reducción del impacto ambiental debido al ahorro de energía primaria que implica. 3. Ahorros en la balanza de pagos al evitar importaciones de combustibles. 4. Modificación de la estructura del consumo. 5. Aumento de la competencia en el sistema eléctrico por aumento del número de operadores. 6. Aumento de la competitividad del sector industrial español al mejorar sus costes energéticos. 7. Incremento de la actividad económica debido a las inversiones y de la I+D en materia energética . AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [5/26] 5
  • 202. COGENERACIÓN Beneficios de la cogeneración para el usuario 1. Aumento de la competitividad de la industria. 2. Aumento de la garantía de suministro. Sin embargo, deben tenerse en cuenta los siguientes inconvenientes: 1. Alta inversión inicial 2. Aumento de los gastos de gestión, mantenimiento y operaciónla garantía de suministro. 3. Aumento de la contaminación local. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [6/26] 6
  • 203. COGENERACIÓN Balance de energías en la cogeneración En todo sistema de cogeneración se pueden distinguir los siguientes tipos de energía: La energía de entrada del combustible, Q. La energía eléctrica consumida, E. La energía térmica consumida, V . La energía perdida, P. La figura siguiente muestra de forma esquemática las siguientes relaciones: Las cuatro magnitudes mencionadas están relacionadas Q = E +V + P AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [7/26] 7
  • 204. COGENERACIÓN Rendimientos en los sistemas de cogeneración Rendimiento eléctrico. E ηe = Q Rendimiento térmico. V ηt = Q Rendimiento global. ηG = E +V P = 1 − = ηe + ηt Q Q Relación calor electricidad. V ηt RCE = = Q ηe Rendimiento eléctrico equivalente. REE = AMMT UMH. TEN E ηe = Q − (V /ηt,con ) 1 − (ηt /ηt,con ) 8 LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [8/26]
  • 205. COGENERACIÓN Clasificación de los sistemas de cogeneración Ciclos de cabecera (topping). Generalmente emplean combustibles convencionales, siendo posible en algunos casos emplear resíduos forestales o agrícolas. Ciclos de cola (bottoming). El sistema funciona mediante un combustible residual o por un calor residual del sistema. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [9/26] 9
  • 206. COGENERACIÓN Clasificación de los sistemas de cogeneración Según la conexión del alternador. Sistemas aislados (en isla). El alternador trabaja sin conexión a la red. Sistemas integrados (en conexión). El alternador trabaja en paralelo a la red tomando la frecuencia de la misma una vez conectado. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [10/26] 10
  • 207. COGENERACIÓN Clasificación de los sistemas de cogeneración Según la tecnología del sistema. Turbina de vapor a contrapresión o de condensación. Turbina de gas. Ciclo combinado. Motor de combustión interna alternativo. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [11/26] 11
  • 208. COGENERACIÓN Turbinas de vapor Las turbinas de vapor se clasifican según la presión del vapor a la salida de la turbina: Turbinas a contrapresión. El vapor se expande a una presión superior a la atmosférica a las condiciones más adecuadas para el proceso industrial. Turbinas a condensación. La totalidad del vapor producido en la caldera se expansiona en la turbina hasta la presión de condensación que es inferior a la atmosférica. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [12/26] 12
  • 209. COGENERACIÓN Turbinas de gas Las turbinas de gas empleadas en cogeneración suelen funcionar mediante gas natural, produciéndose unos gases de escape relativamente limpios y con un alto contenido de oxígeno (≈ 15 %). Aplicaciones: Aplicación directa de los gases calientes a alta temperatura (400 − 600◦C) a procesos de cocción a baja temperatura, de secado, etc. Generación de vapor mediante caldera de recuperación. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [13/26] 13
  • 210. COGENERACIÓN Cogeneración mediante ciclo combinado Aplicación conjunta de una turbina de gas y una turbina de vapor a contrapresión para la producción de energía eléctrica. Se aprovechan los gases calientes de la TG para producir vapor a alta presión que se expansiona en una TV. Mayor rendimiento global en la producción de energía eléctrica (50 − 55 %) en comparación con las alternativas anteriores. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [14/26] 14
  • 211. COGENERACIÓN Cogeneración con motor alternativo Aplicaciones más frecuentes: Producción de vapor hasta 15 bar con la energía térmica de los gases Producción de agua caliente con el calor de refrigeración del motor a 85 − 90◦C Recuperación directa de los gases (secado de ladrillos, etc.) Generación de aire caliente. (energías residuales) AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [15/26] 15
  • 212. COGENERACIÓN Ventajas e inconvenientes de las turbinas de vapor Ventajas de las TV: ◦ Rendimiento global alto. En las turbinas de vapor a condensación, el calor de condensación es difícilmente aprovechable. Si las necesidades de vapor de la industria se ajustan al empleo de una turbina a contrapresión, entonces este sistema de cogeneración resulta muy interesante. ◦ Extremadamente segura. ◦ Posibilidad empleo cualquier combustible: carbón o residuos sólidos urbanos, forestales o agrícolas, etc. ◦ Larga vida de servicio. Duración de hasta 30 años. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [16/26] 16
  • 213. COGENERACIÓN Ventajas e inconvenientes de las turbinas de vapor Ventajas de las TV: ◦ Rendimiento global alto. En las turbinas de vapor a condensación, el calor de condensación es difícilmente aprovechable. Si las necesidades de vapor de la industria se ajustan al empleo de una turbina a contrapresión, entonces este sistema de cogeneración resulta muy interesante. ◦ Extremadamente segura. ◦ Posibilidad empleo cualquier combustible: carbón o residuos sólidos urbanos, forestales o agrícolas, etc. ◦ Larga vida de servicio. Duración de hasta 30 años. Inconvenientes de las TV: ◦ Coste elevado. Se trata en un ciclo compuesto como mínimo por turbina de vapor, condensador, bomba de condensados, y caldera. ◦ Baja relación electricidad-calor. RCE = 3 a 10. ◦ Puesta en marcha lenta. Periodo de calentamiento para evitar dilataciones. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [16/26] 16
  • 214. COGENERACIÓN Ventajas e inconvenientes de las turbinas de gas Ventajas de las TG: ◦ Amplia gama de aplicaciones. Potencias entre 1,2 y 200 MW. ◦ Alta fiabilidad y disponibilidad. Se puede tener una disponibilidad entre el 90 y el 95 %. ◦ Elevada temperatura de la energía térmica. Se aprovecha un 75 % de la energía térmica producida (rendimientos globales superiores al 80 %). ◦ Gases con alto contenido en oxígeno. Permiten la postcombustión en una caldera de recuperación o su empleo directo en secaderos. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [17/26] 17
  • 215. COGENERACIÓN Ventajas e inconvenientes de las turbinas de gas Ventajas de las TG: ◦ Amplia gama de aplicaciones. Potencias entre 1,2 y 200 MW. ◦ Alta fiabilidad y disponibilidad. Se puede tener una disponibilidad entre el 90 y el 95 %. ◦ Elevada temperatura de la energía térmica. Se aprovecha un 75 % de la energía térmica producida (rendimientos globales superiores al 80 %). ◦ Gases con alto contenido en oxígeno. Permiten la postcombustión en una caldera de recuperación o su empleo directo en secaderos. Inconvenientes de las TG: ◦ Limitación en los combustibles. Necesitan combustibles muy refinados, lo que repercute en su coste. ◦ Limitación en el número de arranques. ◦ Tiempo de vida relativamente corto. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [17/26] 17
  • 216. COGENERACIÓN Ventajas e inconvenientes de los motores alternativos Ventajas de los MCIA: ◦ Elevada relación entre electricidad y calor. RCE = 0,5 − 1. ◦ Alto rendimiento eléctrico. Se trata de motores de encendido por compresión de 2 o 4 tiempos con ηE entre el 35 y el 47 %. ◦ Bajo coste. Coste por ud. de potencia inferior al de las turbinas de gas. ◦ Tiempo de vida largo. Generalmente se trata de máquinas generalmente derivadas de los motores marinos cuyo criterio de diseño inicial es la fiabilidad. ◦ Capacidad de adaptación a variaciones de la demanda. Variación de la carga muy sencilla. En ciertos sistemas se puede variar la relación electricidad-calor. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [18/26] 18
  • 217. COGENERACIÓN Ventajas e inconvenientes de los motores alternativos Ventajas de los MCIA: ◦ Elevada relación entre electricidad y calor. RCE = 0,5 − 1. ◦ Alto rendimiento eléctrico. Se trata de motores de encendido por compresión de 2 o 4 tiempos con ηE entre el 35 y el 47 %. ◦ Bajo coste. Coste por ud. de potencia inferior al de las turbinas de gas. ◦ Tiempo de vida largo. Generalmente se trata de máquinas generalmente derivadas de los motores marinos cuyo criterio de diseño inicial es la fiabilidad. ◦ Capacidad de adaptación a variaciones de la demanda. Variación de la carga muy sencilla. En ciertos sistemas se puede variar la relación electricidad-calor. Inconvenientes de los MCIA: ◦ Energía térmica a baja temperatura. El aprovechamiento energético se realiza a baja temperatura, resultando difícil aprovechar más del 50 % del calor generado ◦ Alto coste de mantenimiento. Este coste puede llegar a ser el doble que el correspondiente a una turbina de gas. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [18/26] 18
  • 218. COGENERACIÓN Conclusiones de la elección de la tecnología de cogeneració Las turbinas de gas son demasiado caras e ineficaces por debajo de 1 MW (19 % Instalaciones). Entre 1 y 5 MW la aplicación de las TV resulta cuanto menos difícil (49 % Instalaciones). Entre 5 y 25 MW la decisión es difícil (28 % Instalaciones). Por encima de 25 MW raramente se empleará uno o varios motores alternativos (4 % Instalaciones). Las TV se emplean únicamente en el 4 % del total de plantas de cogeneración instaladas. Los MCIA se emplean en el 71 % de las instalaciones y las TG en el 25 %. Los ciclos combinados se emplean principalmente en instalaciones de producción de energía. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [19/26] 19
  • 219. COGENERACIÓN Comparación entre tecnologías de cogeneración TURBINA GAS TURBINA VAPOR CICLO COMBINADO MOTOR DIESEL 1. Conversión eléctrica (%) 2. Rendimiento global (%) 3. Consumo específico (kWt/kWe) 4. Relación calor electricidad RCE 5. Rango de potencias (Mwe) 6. Combustible 15 a 35 10 a 30 70 a 85 75 a 90 1,6 1,2 1,5:1 a 5:1 3:1 a 10:1 1 a 200 0,5 a 500 G. Natural Cualquiera, Gasóleo sólido Keroseno líquido G. Refinería gas 30 a 40 80 a 90 1,6 1:1 a 3:1 10 a 300 G. Natural Gasóleo Keroseno G. Refinería 35 a 45 65 a 75 1,4 a 2 0,5:1 a 3:1 0,2 a 20 G. Natural Fuel-oil Gasóleo Biogás 7. Inversión total (€/kWe) 530 a 1200 1000 a 1500 450 a 900 770 a 960 8. Coste mantenimiento (€/MWh) 9. Coste en €/Mwe con recup. térmica (*1) 4,6 a 5,4 3 a 30 2,3 a 1,5 20 a 15 4,6 a 5,4 33 a 30 5,8 a 9,2 29 a 26 10. Período simple de retorno en años (*2) 2a3 3,5 a 4 2a3 2a3 15 30 15 10 11. Vida útil (años) (*1) Se considera un precio del combustible de 13,2 €/MWh basado en el PCI (*2) Cálculo sobre 7.000 h/año suponiendo un precio de la electricidad de 77 €/MWh AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [20/26] 20
  • 220. COGENERACIÓN Modos de funcionamiento de un sistema de cogeneración Demanda eléctrica Funcionamiento sin seguimiento Evacuación de calor (4) Caldera de Apoyo Importación Electricidad (1) (A) (2) (3) to rva r oto m a ion c fun en mi Exportación Electricidad Cu Demanda térmica AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [21/26] 21
  • 221. COGENERACIÓN Modos de funcionamiento de un sistema de cogeneración Demanda eléctrica Funcionamiento con seguimiento de la demanda eléctrica Funcionamiento ajustado a la demanda eléctrica (4) Caldera de Apoyo Evacuación de calor (A) (1) (B) to rva Caldera de Apoyo (C) (2) (3) m a ion c fun en mi r oto Evacuación de calor Cu Demanda térmica AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [22/26] 22
  • 222. COGENERACIÓN Modos de funcionamiento de un sistema de cogeneración Demanda eléctrica Funcionamiento con seguimiento de la demanda térmica Funcionamiento ajustado a la demanda térmica (4) Importación Electricidad (1) rva (3) r oto m a ion c fun (2) Exportación Electricidad (B) to Exportación Electricidad (A) Importación Electricidad en mi (C) Cu Demanda térmica AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [23/26] 23
  • 223. COGENERACIÓN Modos de funcionamiento de un sistema de cogeneración Demanda eléctrica Funcionamiento con seguimiento de ambas demandas Funcionamiento ajustado a las demandas térmica y eléctrica (2) or (1) I ot o nt ie va r Cu r II on i nc to en i am ion c fun (3) m am fu (4) to mo o ient I or II mot m rva iona unc Cu va f Cur Demanda térmica AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [24/26] 24
  • 224. COGENERACIÓN Aplicaciones prácticas habituales de cada tecnología RESID Y SERV. Turbina de Gas. Secado X Turbina Vapor contrapresión QUÍMICO AUTOMOCIÓN MADERA PETROQUÍMICA COMPAÑÍAS ELÉCTRICAS C.DISTRITO DEPURADORAS E. SINGULARES X X X X X X X X X X X Ciclo Combinado TEXTIL L. Y TEJAS X X ALIMENTARIO Turbina de Gas. Ciclo simple CERÁMICO PAPELERO INDUSTRIA X X Motor Alternativo. Secado Motor Alternativo. Recuperación X X X X X X X X X AMMT UMH. TEN X X X X X LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [25/26] 25
  • 225. COGENERACIÓN Referencias Bibliográficas Esquerre Pizá, P. (1988), Dispositivos y Sistemas para el Ahorro de Energía. ISBN: 84267-0722-x, Marcombo. Bermúdez, V. (2000), Tecnología Energética. ISBN: 84-7721-868-4, Servicio de publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. Manual de Eficiencia Energética Térmica en la Industria, L.A. Molina Igartua y G. Molina Igartua, Ente Vasco de la Energía, ISBN 84-8129-022-X. Cap 6, pp. 297-359. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 17: COGENERACIÓN [26/26] 26
  • 226. LECCIÓN 18. COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS Índice de Contenidos: 18.1 18.2 18.3 18.4 Introducción Aspectos legales de la cogeneración Estudio termo-económico Evaluación de los proyectos de cogeneración Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. TEN LECCIÓN 18: COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS [1/17] 1
  • 227. COGENERACIÓN Objetivos 1. Seleccionar el grupo de cogeneración más idóneo en función de la aplicación particular. 2. Conocer la situación de régimen especial de producción en la que funcionan los grupos de cogeneración. 3. Realizar estudios de viabilidad de grupos de cogeneración. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 18: COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS [2/17] 2
  • 228. COGENERACIÓN Aspectos legales O BJETIVOS DEL LEGISLADOR Ahorro de energía primaria Disminución de la emisión de CO2 y otros contaminantes Aumento de sujetos en el POOL → mayor competencia AMMT UMH. TEN LECCIÓN 18: COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS [3/17] 3
  • 229. COGENERACIÓN Aspectos legales L EGISLACIÓN A PLICABLE LEY 54/1997, de 27 de noviembre, del Sector Eléctrico. REAL DECRETO 2818/1998, de 23 de diciembre, sobre producción de energía eléctrica por instalaciones abastecidas por recursos o fuentes de energía renovables, residuos y cogeneración. REAL DECRETO 436/2004, de 12 de marzo, por el que se establece la metodología para la actualización y sistematización del régimen jurídico y económico de la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 18: COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS [4/17] 4
  • 230. COGENERACIÓN Aspectos legales R ÉGIMEN ESPECIAL DE PRODUCCIÓN . G RUPO A Autoproductores que utilicen la cogeneración u otras formas de producción de electricidad asociadas a actividades no eléctricas, siempre que supongan un alto rendimiento energético. Grupo a.1. Instalaciones que incluyan una central de cogeneración: Subgrupo a.1.1. Cogeneraciones que utilicen como combustible el gas natural. Subgrupo a.1.2. Resto de cogeneraciones. Grupo a.2. Instalaciones que incluyan una central que utilice energías residuales procedentes de cualquier instalación, máquina o proceso industrial cuya finalidad no sea la producción de energía eléctrica. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 18: COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS [5/17] 5
  • 231. COGENERACIÓN Aspectos legales R ÉGIMEN ESPECIAL DE PRODUCCIÓN . G RUPO A Condición de autoproductor: Autoconsuma, al menos, el 30 % de E, si la potencia instalada es < 25 MW y al menos, el 50 % de E, si la potencia instalada es > 25 MW. Definición de alto rendimiento energético. Rendimiento eléctrico equivalente: REE = E ηe = Q − (V /ηt,con ) 1 − (ηt /ηt,con ) COMBUSTIBLE Combustible líquidos en centrales con calderas Combustible líquidos en motores térmicos Combustible sólidos Gas natural y GLP en motores térmicos Gas natural y GLP en turbinas de gas y otras tecnologías REE 49 % 56 % 49 % 55 % 59 % Rendimiento Eléctrico Equivalente (REE) mínimo AMMT UMH. TEN LECCIÓN 18: COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS [6/17] 6
  • 232. COGENERACIÓN Aspectos legales P OTENCIA NOMINAL : La potencia nominal será la especificada en la placa de características del grupo motor o alternador, según aplique, corregida por las condiciones de medida siguientes, en caso que sea procedente: Carga: 100 % en las condiciones nominales del diseño. Altitud: la del emplazamiento del equipo. Temperatura ambiente: 15 ◦C. Pérdidas de carga: admisión 150 mm c.d.a.; escape 250 mm c.d.a. Pérdidas por ensuciamiento y degradación: 3 %. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 18: COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS [7/17] 7
  • 233. COGENERACIÓN Aspectos legales D IRECTIVA E UROPEA . Tipo de combustible η′ f E,re Gas natural 0,55 Fuel-oil y carbón 0,42 Residuos 0,22 a 0,35 Consumo de energía primaria de referencia: E T EPre f = + ηE,re f ηT,re f ηT,re f 0,90 0,85 0,80 Fuente: Propuesta de Directiva Europea de Cogeneración. ηE,re f = η′ f / f p,red , siendo f p,red = 1,05 − 1,15 E,re Ahorro de energía primaria AEP = EPre f − Q = E 1 ηE,re f − 1 REE Se propone un ahorro porcentual de energía primaria superior al 10 %, medida según el índice de calidad (IC): IC = 1 − AMMT UMH. TEN 1 × 100 ηe /ηE,con + ηt /ηT,con LECCIÓN 18: COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS [8/17] 8
  • 234. COGENERACIÓN Aspectos legales A HORRO DE ENERGÍA PRIMARIA POR TECNOLOGÍA DE COGENERACIÓN 1.- Energía total consumida kWh 2.- Energía eléctrica producida kWh 3.- Energía térmica producida kWh 4.- Energía total producida kWh 5.- Rendimiento eléctrico equivalente 6.- En. primaria convencional(1) kWh 7.- Ahorro de energía primaria(1) ( %) 8.- En. primaria convencional(2) kWh 9.- Ahorro de energía primaria(2) ( %) TG TV CCGN MCIA 100 100 100 100 32 26 55 40 49 58 33 35 81 84 88 75 70,2 73.1 86,8 65.5 148,6 140,9 198,4 156,5 32,7 29,0 49,6 36.1 118,4 116,4 146,7 118,9 15,6 14,1 31,8 15,9 Rendimientos por abastecimiento convencional: ηE,con = 34 % ηT,con = 90 %. Rendimientos por abastecimiento convencional: ηE,con = 50 % ηT,con = 90 %. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 18: COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS [9/17] 9
  • 235. COGENERACIÓN Aspectos económicos E STUDIO DE VIABILIDAD 1. 2. 3. 4. 5. 6. Análisis de consumos. Determinación de los costes actuales y futuros de la energía. Planteamiento de alternativas. Determinación de los costes de la energía de cada una de las alternativas. Estimación de las inversiones. Estudio de la rentabilidad. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 18: COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS [10/17] 10
  • 236. COGENERACIÓN Aspectos económicos A NÁLISIS DE CONSUMOS La cogeneración se basa en: Un buen aprovechamiento de la energía térmica del sistema. El consumo de un mínimo de la energía eléctrica producida por el grupo. Aspectos a considerear: El tamaño del grupo se puede fijar por volumen de inversión (grupo infradimensionado). Se requiere de disponer de sistema de apoyo para las paradas del grupo. En caso de diseño ajustado al proceso, se debe analizar el funcionamiento variable del grupo. El grupo deberá funcionar un mínimo de 5000 h al año por viabilidad económica. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 18: COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS [11/17] 11
  • 237. COGENERACIÓN Aspectos económicos Demanda eléctrica F UNCIONAMIENTO SIN SEGUIMIENTO Evacuación de calor Importación Electricidad Caldera de Apoyo Punto func. (P) del grupo Exportación Electricidad Importación Electricidad Exportación Electricidad Evacuación de calor Caldera de Apoyo Demanda térmica AMMT UMH. TEN LECCIÓN 18: COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS [12/17] 12
  • 238. COGENERACIÓN Aspectos económicos Demanda eléctrica F UNCIONAMIENTO CON SEGUIMIENTO DE LA DEMANDA TÉRMICA Funcionamiento ajustado a la demanda térmica (4) Importación Electricidad (1) (C) Exportación Electricidad (A) (2) Exportación Electricidad Importación Electricidad (B) (3) tor to mo na cio un af en mi rv Cu Demanda térmica AMMT UMH. TEN LECCIÓN 18: COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS [13/17] 13
  • 239. COGENERACIÓN Aspectos económicos P RIMAS A LA COGENERACIÓN Instalaciones acogidas al RD 2818/1998: R = Pm + Pr siendo R la retribución en C/kWh, Pm el precio de mercado y Pr la prima. ◦ Marzo 2005: Precio valle: Pmv = 3,9 C/kWh, Precio punta: Pm p = 5,35 C/kWh. ◦ Prima: Pr = 1,41 cent/kWh (P<10MW) en 2005. Instalaciones acogidas al RD 436/2004: ◦ Opción 1. Grupo a.1.1 (1 a 10 MW). 80 % TRM durante 10 años ◦ Opción 2. Grupo a.1.1 (1 a 10 MW). POOL + 30 % TRM durante 10 años ◦ TRM 2005 = 7,33 c C/kWh. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 18: COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS [14/17] 14
  • 240. COGENERACIÓN Aspectos económicos E JEMPLO De una turbina de gas se conocen los siguientes datos: Pot: 7700 kWe, Efic. 30,7 %, T. gases 545◦C, Flujo 29,8 kg/s. Si consideramos que los gases de escape se emplean para producir vapor saturado a 2 bar en una caldera de recuperación (pérdidas de calor despreciables), donde los gases de escape se enfrían hasta 140◦C, determinar el ahorro producido mediante el sistema de cogeneración. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 18: COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS [15/17] 15
  • 241. COGENERACIÓN Aspectos económicos E JEMPLO Convencional 1.- Energía primaria consumida GWh 158 (84 CT + 74 IN) 2.- Coste de la energía M C 3,57 (2.54 E + 1,03 GN) 3.- Emisiones de CO2 32,4 (17,3 CT + 15,1 IN) Cogeneración 138 IN 1,93 GN 28,2 GN Rendimientos por abastecimiento convencional: ηE,con = 50 % ηT,con = 90 %. Cogeneración Rendimiento eléctrico equivalente: 66 % Índice de calidad: 13 % Ahorro económico bruto: 1,64 M C (46 %) Coste aproximado del grupo (600 C/kW) 4,62 M C Tiempo de retorno simple: 2,8 años AMMT UMH. TEN LECCIÓN 18: COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS [16/17] 16
  • 242. COGENERACIÓN Referencias Bibliográficas BERMÚDEZ, V., Tecnología Energética. Servivio de Publicaciones de la UPV, 2000, ISBN: 84-7721-868-4. LEY 54/1997, de 27 de noviembre, RD 2818/1998, de 23 de diciembre, RD 436/2004, de 12 de marzo. MOLINA L.A., MOLINA G., Manual de eficiencia energética térmica en la industria. CADEM (Grupo EVE), Bilbao, 1993, ISBN: 84-8129-022-X. SALA, J.M., Cogeneración. Aspectos Termodinámicos, tecnológicos y Económicos. Servicio Editorial de la Universidad del País Vasco, Bilbao, 1999, ISBN: 84-7585571-7. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 18: COGENERACIÓN. ASPECTOS LEGALES Y ECONÓMICOS [17/17] 17
  • 243. LECCIÓN 19. CENTRALES TÉRMICAS 19.1 19.2 19.3 19.4 Introducción Esquemas de funcionamiento Partes de una central térmica Análisis termodinámico de la central Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [1/20] 1
  • 244. CENTRALES TÉRMICAS Objetivos 1. Trazar en un diagrama T − s un ciclo de Rankine con sobrecalentamiento, recalentamiento intermedio y precalentamiento regenerativo. 2. Conocer los elementos principales de las centrales térmicas convencionales que operan actualmente en España. 3. Realizar un análisis energético y exergético de un ciclo de Rankine simplificado de una central térmica convencional. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [2/20] 2
  • 245. CENTRALES TÉRMICAS Introducción El objetivo de las centrales térmicas de vapor es el de realizar una transformación energética entre la energía química de un combustible a energía eléctrica. Transformaciones energéticas: Energía química - energía térmica - energía mecánica - energía eléctrica Las centrales térmicas se clasifican: Centrales de vapor Centrales de turbinas de gas Centrales de ciclo combinado Centrales diesel Además, en el siguiente tema se analizarán las centrales nucleares. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [3/20] 3
  • 246. CENTRALES TÉRMICAS Introducción AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [4/20] 4
  • 247. CENTRALES TÉRMICAS Introducción AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [5/20] 5
  • 248. CENTRALES TÉRMICAS Esquema de una central térmica AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [6/20] 6
  • 249. CENTRALES TÉRMICAS Esquema de una central térmica AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [7/20] 7
  • 250. CENTRALES TÉRMICAS Circuitos de una central térmica AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [8/20] 8
  • 251. CENTRALES TÉRMICAS Circuitos de una central térmica AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [9/20] 9
  • 252. CENTRALES TÉRMICAS Elementos de una central térmica. Caldera AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [10/20] 10
  • 253. CENTRALES TÉRMICAS Elementos de una central térmica. Calentadores AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [11/20] 11
  • 254. CENTRALES TÉRMICAS Elementos de una central térmica. Calentadores AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [12/20] 12
  • 255. CENTRALES TÉRMICAS Elementos de una central térmica. Condensador AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [13/20] 13
  • 256. CENTRALES TÉRMICAS Elementos de una central térmica. Turbina AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [14/20] 14
  • 257. CENTRALES TÉRMICAS Esquema de una central térmica AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [15/20] 15
  • 258. CENTRALES TÉRMICAS Balance energético AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [16/20] 16
  • 259. CENTRALES TÉRMICAS Balance exergético AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [17/20] 17
  • 260. CENTRALES TÉRMICAS Análisis del funcionamiento de una instalación E JEMPLO CICLO DE VAPOR PUNTO 62 774,7 2,15 490 62 3396 6,83 1396 1 480 60 3375 6,818 1379 2 28,97 0,04 2054 6,818 57,82 3 28,97 0,04 121,4 0,4223 0,4652 4 29,11 66 128 0,4223 7,079 5 120 66 508,3 1,522 65,01 6 188 66 801,3 2,209 156,6 7 247,7 12 2929 6,818 933,2 8 120,2 2 2585 6,818 589 9 188 12 798,6 2,216 151,7 10 120,2 2 798,6 2,277 133,9 11 120,2 2 504,7 1,53 59,05 12 AMMT UMH. TEN 182 s Presión de alta: 60 bar Temperatura de alta: 480◦C Presión de baja: 0,04 bar T (ºC) e P (kPa) h (kJ/kg) s (kJ/kg K) ex (kJ/kg) 28,97 0,04 504,7 1,691 11,84 146,7 LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [18/20] 18
  • 261. CENTRALES TÉRMICAS Centrales de ciclo combinado AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [19/20] 19
  • 262. CENTRALES TÉRMICAS Bibliografía 1. Agüera, J., 1999, capítulo 6. 2. Hernández, J.J., Lapuerta, M, 1998, capítulos 7 y 8. 3. Moran, M.J., Shapiro, H.N., 2004, capítulo 8. 4. Cengel, Y.A., Boles, M.A., 2002, capítulo 9. 5. IBERDROLA, Características de la Central Térmica de Escombreras. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 19: CENTRALES TÉRMICAS [20/20] 20
  • 263. LECCIÓN 20. CENTRALES NUCLEARES 20.1 20.2 20.3 20.4 Introducción. Reacción de fisión Elementos de una central nuclear Tipos de reactores Pedro G. Vicente Quiles Área de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales Universidad Miguel Hernández AMMT UMH. TEN LECCIÓN 20: CENTRALES NUCLEARES [1/16] 1
  • 264. CENTRALES NUCLEARES Objetivos 1. Conocer los fundamentos del mecanisco físico de la fisión y su control. 2. Conocer los distintos tipos de centrales nucleares. 3. Realizar un esquema básico de una central nuclear de tipo convencional, identificando los distintos sistemas. 4. Ser consciente de la problemática real del uso de la energía nuclear. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 20: CENTRALES NUCLEARES [2/16] 2
  • 265. CENTRALES NUCLEARES Introducción El objetivo de las centrales nucleares es el de realizar una transformación energética entre la energía nuclear de un combustible a energía eléctrica. Transformaciones energéticas: Energía nuclear - energía térmica - energía mecánica - energía eléctrica El 19 % de toda la electricidad producida lo es en centrales nucleares. Actualmente en España hay 9 centrales nucleares operativas: Potencia instalada: 7800 MW Energía producida: 62 300 GWh (92 % de utilización) AMMT UMH. TEN LECCIÓN 20: CENTRALES NUCLEARES [3/16] 3
  • 266. CENTRALES NUCLEARES Reacción de fisión AMMT UMH. TEN LECCIÓN 20: CENTRALES NUCLEARES [4/16] 4
  • 267. CENTRALES NUCLEARES Reacción de fisión C OMBUSTIBLE NUCLEAR Uranio natural: 0,7 % de 235U y 99,3 % de 238U. Combustible nuclear (enriquecimiento): 3 % de 235U y 97 % de 238U. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 20: CENTRALES NUCLEARES [5/16] 5
  • 268. CENTRALES NUCLEARES Reacción de fisión M ODERADOR La probabilidad de que la fisión ocura es inversamente proporcional a la energía de los neutrones incidentes Los neutrones deben ser frenados: moderador v = 106 a 102 m/s. Tipos: Agua H2 O: el núcleo moderador es el hidrógeno Agua pesada D2O: el núcleo moderador es el deuterio D (un isótopo de hidrógeno formado por un protón y un neutrón) Grafito: Una forma de carbono puro AMMT UMH. TEN LECCIÓN 20: CENTRALES NUCLEARES [6/16] 6
  • 269. CENTRALES NUCLEARES Reacción de fisión BARRAS DE CONTROL Es necesario mantener la condición de criticidad de la reacción Material muy absorbente dispuestos en barras de control. Tipos: Compuestos de boro Aleación de Cadmio AMMT UMH. TEN LECCIÓN 20: CENTRALES NUCLEARES [7/16] 7
  • 270. CENTRALES NUCLEARES Reacción de fisión R EFRIGERANTES Hay que evacuar el calor que se produce en el reactor Refrigerantes: C O2 He H2 O ordinaria o pesada Metales líquidos, Na y K AMMT UMH. TEN LECCIÓN 20: CENTRALES NUCLEARES [8/16] 8
  • 271. CENTRALES NUCLEARES Reacción de fisión AMMT UMH. TEN LECCIÓN 20: CENTRALES NUCLEARES [9/16] 9
  • 272. CENTRALES NUCLEARES Reacción de fisión La utilización de la energía nuclear a nivel industrial se basa en el control de la fisión nuclear. Un reactor nuclear es una instalación donde puede iniciarse, mantenerse y controlarse una reacción nuclear de fisión en cadena, con los medios necesarios para aprovechar el calor generado. Elementos: Combustible. Uranio natural, U-238, enriquecido con U-235. Moderador. Se emplea para disminuir la energía cinética de los neutrones que se generan en la fisión Refrigerante. Extraen de forma rápida la energía generada Reflector. Reduce la fuga de neutrones de la reacción en cadena AMMT UMH. TEN LECCIÓN 20: CENTRALES NUCLEARES [10/16] 10
  • 273. CENTRALES NUCLEARES Control de la fisión El proceso de fisión debe estar controlado en todo caso debido a que la actividad del combustible varía desde su valor máximo (combustible fresco) a su valor nulo (combustible agotado). Pueden existir distintos sistemas de control: Introducir barras de control. Constituidas por metales o aleaciones de cadmio, plata o indio de gran sección eficaz. Se obtiene un control rápido pero aparecen puntos calientes en el combustible por distorsión del flujo neutónico. Disolviendo un absorbente en el moderador. El control es lento aunque sin producir puntos calientes. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 20: CENTRALES NUCLEARES [11/16] 11
  • 274. CENTRALES NUCLEARES Tipos de reactores Reactores térmicos (usan moderador) Reactores reproductores rápidos (no usan moderador) AMMT UMH. TEN LECCIÓN 20: CENTRALES NUCLEARES [12/16] 12
  • 275. CENTRALES NUCLEARES Tipos de reactores R EACTOR DE AGUA A PRESIÓN PWR AMMT UMH. TEN LECCIÓN 20: CENTRALES NUCLEARES [13/16] 13
  • 276. CENTRALES NUCLEARES Tipos de reactores R EACTOR DE AGUA EN EBULLICIÓN BWR AMMT UMH. TEN LECCIÓN 20: CENTRALES NUCLEARES [14/16] 14
  • 277. CENTRALES NUCLEARES Tipos de reactores R EACTOR DE URANIO NATURAL , GAS Y GRAFITO AMMT UMH. TEN LECCIÓN 20: CENTRALES NUCLEARES [15/16] 15
  • 278. CENTRALES NUCLEARES Bibliografía 1. Agüera, J., 1999, capítulo 6. 2. Barquín, J., 2004, capítulo 9. 3. IBERDROLA, Características de la Central Nuclear de Cofrentes. AMMT UMH. TEN LECCIÓN 20: CENTRALES NUCLEARES [16/16] 16
  • 279. PROBLEMA 1 Determina el coste actualizado de producción de energía eléctrica en €/kWh si ésta es generada mediante un grupo generador Diesel de 5 kW Datos: •Rendimiento del motor diesel 40% •Inversión en motor 9.000 € •Vida útil 5 años •Producción de energía 15000 kWh/año •Coste actual del gasóleo C 0.95 €/l •Densidad del gasóleo: ρ= 880 kg/m3 •PCS 43000 kJ/kg •PCI = 41000 kJ/kg Fi = Ccomb (1 + I )i − E ⋅ Cenerg •Inflación del gasóleo I=6% •Tasa de descuento K=3% VAN = −I + F1 1 (1 + k ) + F2 (1 + k ) 2 + F3 (1 + k ) 3 + ... + n Fn (1 + k ) n = −I + ∑ (1 + k ) 1 Fi i
  • 280. PROBLEMA 2 La instalación de ACS de un gimnasio consume 4000 litros de agua diarios a una temperatura de referencia de 60ºC. A partir de agua de red a 15ºC, la instalación debe ser capaz de restaurar la temperatura del agua en 1 hora ante un consumo punta de 2000 l/h (60ºC) • Calcular la potencia calorífica de la caldera (se supone que el sistema tiene unas pérdidas del 10%). • Si la caldera de gasóleo C que se va a instalar tiene un coste de 15000 € y un rendimiento del 85%, determinar el coste máximo de una caldera de gas de condensación con un rendimiento del 105% para que pueda ser amortizado el sobrecoste en 10 años Datos: •Rendimiento caldera gasóleo C 85% •Coste caldera gasóleo C 15.000 € •Coste actual del gasóleo C 0.6 €/l •Densidad del gasóleo: ρ= 880 kg/m3 •PCI gasóleo C 41000 kJ/kg •Tarifa Gas Natural (Fijo) 42,31 €/mes •Tarifa Gas Natural (Variable) 0,033259 €/kWh Q = M H 2O ·c p (Tacum − Tentr ) Pago = FRC·Cinv inicial FRC = i (1 + i )n (1 + i )n − 1
  • 281. PROBLEMA 3 Mi vecino del primero propone instalar un sistema de encendido automático de la luz del ascensor por control de presencia. En la actualidad tenemos instalados 2 tubos TLD 18W que con balasto electrómecánico que consumen 45W. La instalación del sistema automático de encendido consiste en la colocación de un balasto electrónico para alargar la vida de los fluorescentes con sucesivos encendidos y la colocación de un interruptor de presencia. La colocación del balasto electrónico mejorará la eficiencia del conjunto en un 15%. El coste de la inversión es de 200 €. ¿Debo votar a favor o en contra en la próxima reunión de vecinos? Coste de la energía: 0.0898 €/kWh Número de viviendas: 8 Suponemos que el ascensor realiza 128 viajes diarios Duración de cada encendido 2 minutos
  • 282. PROBLEMA 4 Se desea instalar un sistema de energía solar térmica para calentamiento de ACS en un gimnasio que consume 4000 litros de agua diarios a una temperatura de referencia de 60ºC. A partir de agua de red a 15ºC. La instalación solar cubrirá la demanda energética en un 70%. Las pérdidas adicionales de la instalación debidas a recirculación y pérdidas en los depósitos de acumulación auxiliares se estiman en un 10% adicional a la demanda energética de ACS. La instalación solar térmica está situada en Alicante y el dimensionado de la misma arroja unos valores de superficie de captación de 80m2 La instalación recibe una subvención del 15% a) El periodo de amortización de la instalación (simple) b) Realizar estudio de financiación El coste de la instalación solar es de 675 €/m2 de superficie de captación. El coste de mantenimiento anual de la misma es de 500€/año El combustible sustituido es gasóleo C Coste gasóleo C 0,65 €/l Densidad del gasóleo 880 kg/m3 Rendimiento de la caldera de gasóleo C 85% PCI gasóleo C 41000 kJ/kg Intereses del préstamo 5%
  • 283. DEPARTAMENT D’ENGINYERIA DE SISTEMES INDUSTRIALS Àrea de Màquines i Motors Tèrmics Tecnologia Energètica Práctica 1 Diseño de una instalación de suministro de propano de un restaurante Se considerarán a efectos de cálculo los siguientes datos: Presión de salida del regulador: 1,6 bar. Presión mínima en consumos: 0,04 bar. Densidad del propano comercial: 2 kg/Nm³ Tiempo mínimo de suministro 2 semanas. Capacidad de vaporización de 1 botella de I-350 a 0ºC: 1,3 kg/h. Tiempo de utilización de equipos: Armario caliente:3 h. Cocina de gas: 1 h. Barbacoa: 1 h. Freidora de gas: 1,5 h. Baño maria: 3 h Horno mixto: 1,5 Longitudes de tramos: A-B: 12 m B-F: 8,5 m B-C: 4.5 m C-D: 1 m D-E: 1 m Dimensionar el depósito de almacenamiento necesario. Trazado y dimensionamiento de la red de tuberías a instalar. Calcular el número de botellas de propano del tipo I-350 necesarias.
  • 284. Tecnología Energética Práctica 1. Instalaciones de combustibles gaseosos
  • 285. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 2 1 Cálculo de necesidades El cálculo de necesidades de una instalación de combustibles comienza, como es natural en las potencias demandadas por cada uno de los elementos de consumo. Estos consumos podrán a su vez ser, o no, coincidentes en el tiempo. Por tanto, las necesidades se determinan introduciendo coeficientes de simultaneidad. 1.1 Cálculo de caudales o potencias simultáneas 1.1.1 Instalación individual doméstica El caudal nominal de cada aparato es función de su potencia nominal y del poder calorífico superior del gas que se trate. Qn = Pn / PCS Siendo: Potencia nominal del aparato (W o kcal/h) Pn Caudal nominal (Nm³/s o Nm³/h) Qn PCS Poder calorífico superior del gas (J/Nm³ o kcal/Nm³) Para determinar en instalaciones domésticas y en algunos pequeños locales los caudales simultáneos o caudales máximos probables, en las instalaciones individuales, se puede aplicar la expresión siguiente: Qsi = A + B + (C + D + ... + N ) / 2 Siendo: AyB C,D, ..., N Caudales máximos nominales de los dos aparatos de mayor consumo. Caudales máximos nominales del resto de los aparatos a instalar.
  • 286. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 3 La potencia nominal de utilización simultánea en las instalaciones individuales se calculará aplicando la siguiente fórmula: Psi = Qsi ·PCS Siendo: Potencia nominal de utilización simultánea de la instalación individual (kcal/h). Psi Caudal máximo probable o de simultaneidad de la instalación individual (Nm³/h). Qsi PCS Poder calorífico superior del gas que se trate (kcal/Nm³). Como norma general el Psi resultante no podrá ser inferior al nivel previsto para la gasificación del grado 1, (25.800 kcal/h) según la Instrucción sobre Documentación y Puesta en servicio de las Instalaciones Receptoras de gas. 1.1.2 Agrupaciones de viviendas Estas instalaciones se ven afectadas por la aplicación de un factor de simultaneidad para evitar el sobredimensionado. En ese caso el caudal del tramo común vendrá dado por: Qsc = S ·∑ Qsi Siendo: ΣQsi Suma de los caudales máximos probables de simultaneidad de las instalaciones individuales alimentadas por la instalación común, expresada en Nm³ /h. S Factor de simultaneidad, que es función del tipo de instalaciones a las que abastece y del modo de operación de las mismas, principalmente de la existencia de consumo de calefacción. En el caso en el caso de agrupaciones de viviendas, se puede utilizar la siguiente tabla. Tabla I. Factor de simultaneidad para un edificio de viviendas Nº Viviendas Factor de Simultaneidad Nº Viviendas Factor de Simultaneidad 1 1 8 0.45 2 0.70 9 0.45 3 0.60 10 0.45 4 0.55 15 0.40 5 0.50 25 0.40 6 0.50 40 0.40 7 0.50 >50 0.35
  • 287. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 4 Este factor es igualmente válido si el cálculo de simultaneidad se realiza sobre las potencias. En este caso, el caudal tendrá la forma: Psc = S ·∑ Psi Siendo: Qsc Psc PCS caudal simultaneo del tramo Nm³/s o (Nm³/h). potencia nominal de utilización simultánea de la instalación común W o (kcal/h). poder calorífico superior del gas que se trate J/Nm³ o (kcal/(h*Nm³)). El caudal simultáneo de la agrupación de viviendas y la potencia simultánea de la agrupación siguen cumpliendo la relación Qsc = Psc / PCS 1.1.3 Instalaciones de uso comercial o colectivo Los casos para el cálculo de la simultaneidad pueden ser muy diversos, por lo que debe ser seleccionado por el proyectista, atendiendo a las características concretas del proyecto.
  • 288. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 5 2 Instalaciones de suministro de gas natural El gas natural se distribuye canalizado y estado gaseoso por parte de las compañías suministradoras. Circula a presiones entre 4000 y 220 mbar en las zonas de red donde el suministro es convencional. Este suministro puede ser en: media presión: P > 0,05 bar baja presión: P ≤ 0,05 bar (500 mm.c.a) (500 mm.c.a) En caso de ser en media presión será necesario colocar uno o más reguladores para conseguir la presión de utilización en los consumos.
  • 289. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 6
  • 290. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 7 2.1 ERM (estación de regulación y medida) Para grandes consumos de redes de gas natural se utilizan estaciones de regulación y medida como punto de conexión con la red. La las ERM se seleccionan en función de la demanda solicitada y las presiones de la red, no siendo necesario cálculo propiamente dicho. Es necesario incorporar una cantidad importante de elementos esenciales y que están definidos en la normativa. Además de las exigencias de la normativa actual, deberemos contemplar en los casos en los que sea necesario los siguientes aspectos para asegurar el buen funcionamiento de nuestra instalación • Toda estación de regulación y/o medida deberá ir provista de dispositivos de seguridad para prevenir la elevación de la presión de explotación a lo largo de la canalización en caso de fallo del regulador de presión. • Deberán instalarse separadores adecuados de líquidos cuando la presencia de vapores condensables o arrastres de productos líquidos sean previsibles bajo las condiciones de presión y temperatura consideradas, y en cantidades que pudiesen entorpecer el buen funcionamiento de los reguladores, los contadores y los dispositivos de seguridad. • Deberán instalarse filtros adecuados cuando exista la posibilidad de acumulación de polvo en cantidades que pudieran entorpecer el funcionamiento correcto de los reguladores, los contadores o los dispositivos de seguridad. • Cuando exista la posibilidad de formación de hielo o hidrato, deberán disponerse dispositivos de recalentamiento del gas y anti-hielo u otras medidas apropiadas. En el caso que sean usados intercambiadores de calor para la calefacción del gas, deberá tenerse especial atención en impedir la penetración de gas en el circuito del dispositivo de calefacción. • Todo el sistema eléctrico situado en el interior de la zona clasificada en con riesgo de explosión cumplirá lo establecido en la instrucción MIE-BT-26 del Reglamento para Baja Tensión. • Para evitar la formación de chispas por electricidad estática, se unirán a tierra todas las partes metálicas de la estación, debiéndose aislar eléctricamente de las canalizaciones de entrada y salida de la misma, a fin de no perturbar la protección catódica de la red.
  • 291. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 8 En el esquema inferior se indican los diferentes elementos, colocados según el sentido del flujo, que suelen componer una ERM. 1 2 3 4 5 6 7 8 Toma de presión en MPB Llave de seccionamiento de entrada Filtro Regulador con VIS de máxima - VIS de mínima y VES Toma de presión en BP Llave de seccionamiento de salida Recogedor donde se podrá colocar el manómetro 8 Recogedor donde se podrá colocar el manómetro 8 Nota: En válvulas de seguridad en gas se distingue entre: VIS VES o VAS Válvula interruptora de seguridad. Válvula de seguridad de escape o de alivio.
  • 292. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 9 2.2 Dimensionado de tuberías Para el cálculo de tuberías se consideran básicamente dos restricciones. Por un lado la limitación de la presión mínima disponible en el punto de consumo. Y por otro lado un límite de velocidad máxima. Para simplificar los cálculos y uniformizar las presiones, las caídas de presión dependiendo del tramo considerado están limitadas por las compañías suministradoras según el tipo de instalación. Estos dos criterios, junto con las limitaciones de las compañías en cuanto a los límites máximos de las pérdidas de carga serán las herramientas a utilizar para el dimensionado de nuestra instalación. Como es lógico, el criterio más restrictivo será el adoptado para el cálculo del diámetro de nuestra tubería. 2.2.1 Materiales Las compañías distribuidoras de gas tienen normas por las que se regulan las redes de las que son responsables, debido a lo cual ponen restricciones a los materiales a utilizar, así por ejemplo gas natural permite los siguientes materiales: Denominación Materiales Alta presión B (APB) Acero (UNE 60 309) Alta presión A (APA) Acero (UNE 60 309) MEDIA PRESIÓN Media presión B / A Acero (UNE 60 309) Polietileno (UNE. 53 333) BAJA PRESIÓN Baja presión (BP) Acero (UNE 60 309) Cobre (UNE 37 141) Polietileno (UNE. 53 333) ALTA PRESIÓN
  • 293. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 10 2.2.2 Criterio de velocidad para el dimensionado de tuberías En instalaciones de gas convencionales, la velocidad del gas en el tubo se limita a 20m/s, algunos autores amplían ese margen en el caso de tuberías enterradas de distribución hasta velocidades máximas de 30m/s. Se trata sobre todo de evitar altas velocidades en tuberías que pueden producir ruido, arrastre de agua, erosión de las tuberías, etc. Para el cálculo de la misma se suele utilizar la fórmula: v = 378 Q·Z P·D 2 Donde: V Q Z P D Velocidad del gas (m/s) Caudal de gas (Nm³/h) Coeficiente de compresibilidad del gas ≈ 1 Presión absoluta al final del tramo (bar) Diámetro interior de la tubería (mm) Para las presiones a las que se trabaja habitualmente con los gases combustibles, Z es prácticamente igual a 1. Se define Z como relación entre el volumen que ocupe el gas real con el que ocuparía la misma cantidad de gas perfecto. La bibliografía también suele tomar como factor de compresibilidad o como factor de supercompresibilidad el valor Fpv = 1 2.2.3 Criterio de pérdida de carga Para el cálculo de las pérdidas de carga en instalaciones de gas se utiliza generalmente la fórmula de Renouard, que es una simplificación de la fórmula de White-Colebrook. Esta formula presenta dos formas, una para presiones superiores a 0,05 bar (AP y MP) y otra para presiones menores (BP). Para presiones superiores a 0,05 bar, se utiliza la siguiente: Pi 2 − Pf2 = 48.6· Válida siempre que Q/D <150 y para Re < 2*106 Donde: D Diámetro interior del tubo (mm) Densidad ficticia del gas ds Longitud equivalente (m) Leq Q Caudal (Nm³/h) Presión absoluta al inicio del tramo (bar) Pi Presión absoluta al final del tramo en (bar) Pf d s ·Leq ·Q1.82 D 4.82
  • 294. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 11 Los valores típicos de la densidad ficticia son: Gas natural = 0,62 Gas ciudad = 0,6 Butano = 1,44 Propano = 1,16 Para presiones inferiores a 500 mm c.a., se considera válida la siguiente: Pi − Pf = 232000 d s ·Leq ·Q1.82 D 4.82 Válida siempre que Q/D <150 y para Re < 2*106 Donde: D Diámetro interior del tubo (mm) Densidad ficticia del gas ds Longitud equivalente (m) Leq Q Caudal (Nm³/h) Presión absoluta al inicio del tramo (mm c.a.) Pi Presión absoluta al final del tramo (mm c.a.) Pf Los valores típicos de la densidad ficticia son: Gas natural = 0,62 Gas ciudad = 0,6 Butano = 1,44 Propano = 1,16 Cálculo de la longitud equivalente En las instalaciones de gas convencionales, suele darse como válido un valor de pérdidas de carga por singularidades no contempladas de 20%, por lo que se considera lo siguiente: Leq = Lreal x 1,2 2.2.4 Método para el dimensionado de tuberías (pérdida de carga lineal) La forma de proceder será la siguiente: 1 El primer parámetro que nos tenemos que fijar es la pérdida de carga máxima que podemos tener en nuestra red o bien la presión mínima que debemos asegurar en cada uno de los consumos. Este parámetro bien nos viene impuesto por la compañía o por la presión mínima de funcionamiento de los equipos conectados a nuestra red. 2 Elegimos el punto de consumo más alejado de la instalación que será el más crítico.
  • 295. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 12 3 Suponiendo una pérdida de carga lineal desde el inicio de la instalación hasta el punto más alejado, podemos averiguar la presión teórica que tenemos en cada derivación. Ya podemos dimensionar los conductos con el criterio de pérdida de carga admisible. El criterio de pérdida de carga nos dará unos diámetros que no se corresponden con los comerciales y debemos de ir, como es lógico al diámetro comercial inmediatamente superior. Ya con el diámetro comercial, calcularemos la velocidad del tramo para ver si está por debajo del máximo admisible (20m/s). Se puede volver a recalcular la pérdida de carga real utilizando el diámetro comercial o, como no nos afectará demasiado para el dimensionado podemos utilizar el valor teórico de diseño. 4 Una vez dimensionado el que llamaremos tramo principal y conocidas las presiones en las derivaciones (bien las teóricas o las reales), pasaremos a calcular los diámetros de las demás ramas utilizando el criterio de pérdida de carga admisible y comprobando que no superamos la velocidad máxima permitida tal y como habíamos hecho con el tramo principal.
  • 296. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 13 3 Instalaciones de suministro de gases licuados del petróleo (GLP) Los principales gases licuados que se utilizan para suministro energético en instalaciones tanto industriales como domésticas son el butano y el propano. Las instalaciones de GLP constan de un depósito de Gas licuado a presión. Este gas se vaporiza proporcionando el gas a la instalación de distribución. A la salida de los depósitos se sitúa un regulador para conseguir que la presión en la instalación se mantenga constante. La presión de vaporización mínima en el depósito debe ser igual superior a la presión que necesitamos en la instalación mas la pérdida de carga del regulador. En el caso del propano se utilizan presiones típicas de salida después del regulador de 1,6 bar. Antes de los consumos se sitúa un último regulador que reduce la presión a valores de consumo en baja presión aproximadamente 40 mbar. La única diferencia entre una instalación con suministro de red y una instalación con depósito de combustible estriba en que es necesario garantizar una mínima presión en el depósito para que los reguladores funcionen correctamente y puedan así suministrar la presión necesaria en los consumos.
  • 297. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 14 3.1 Cálculo del almacenamiento El diseño del almacenamiento específico de gases licuados. Esta ligado a dos condicionantes físicos. Uno de ellos es la evidente necesidad de un almacenamiento mínimo. El otro es menos evidente. Se trata de la necesidad de que el depósito presente la superficie suficiente de intercambio térmico, como para poder absorber el calor necesario para la evaporación y poder asegurar al mismo tiempo la presión mínima requerida para poder asegurar el suministro de combustible. En caso de no poder realizarse este intercambio térmico, la temperatura en el depósito disminuirá, por tanto también lo hará la presión de evaporación y como consecuencia, el caudal vaporizado se reducirá, no siendo posible alimentar la demanda solicitada. 3.1.1 Cálculo del depósito por el criterio de velocidad de evaporación Depósitos Determinaremos la superficie necesaria para garantizar el aporte de calor desde el exterior necesario para producir la evaporación del combustible necesaria sin que la presión nos baje en el depósito del mínimo requerido (1,5 ó 1,6 bar). Para instalaciones de depósitos de propano la fórmula comúnmente utilizada para averiguar la superficie necesaria para la correcta evaporación del GLP es la siguiente: S= E ⋅ Ce Qt ⋅ c ⋅ ∆t Donde: S Superficie del depósito, necesaria para evaporar correctamente (m²) E Cantidad de propano a evaporar (kg/h) Ce Incremento de entalpía de vaporización (kcal/kg) Coeficiente de transmisión térmica de la chapa del depósito (kcal/h·m·ºC) QT C Coeficiente de llenado para el 20% = 0,34 ∆T Variación de temperatura (Texterior - Tvaporización ) en ºC o K En la inmensa mayoría de los casos se tomarán los siguientes valores. Para el Propano Ce=92 kcal/kg Para el acero QT = 12 kcal/h·m·ºC Para el propano Tvap = -20 ºC para una presión de 1,5 kg/cm² Instalaciones de botellas En el caso de instalaciones de botellas, es necesario tener los datos de vaporización en función de la temperatura exterior para las bombonas, estos datos dependen del tipo de bombona que use el distribuidor. El número de bombonas necesario será: N c = Qsi / V p
  • 298. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 15 Donde: NC Qsi Vp Número de bombonas en descarga simultánea Caudal simultáneo (kg/h) Vaporización de una bombona (kg/h) 3.1.2 Cálculo del volumen del depósito por el criterio de tiempo mínimo de autonomía Depósitos Se debe tener en cuenta que el depósito ha de garantizar un tiempo mínimo de suministro. Y que es necesario calcular la cantidad de propano necesaria que se gastará durante este período de tiempo en función de las utilizaciones de cada uno de los aparatos. Hay que tener en cuenta que según prescribe el reglamento, un depósito no se puede llenar más del 85% del volumen total y tampoco se debe vaciar por debajo del 20%, por lo que el volumen útil a considerar es del 65% del volumen total geométrico. Así pues, según este precepto del reglamento, el volumen útil es: Vu = 0.65·VT Vu VT Volumen útil Volumen total Normalmente calcularemos los consumos en kg de combustible, por lo que será necesario considerar la densidad del mismo. Si consideramos la densidad del propano comercial líquido es de 510 kg/m³, la carga útil será: Cu (kg ) = 0.65 × 510 ⋅VT = 331.5 ⋅ VT (m 3 ) Siendo: Carga útil (kg) Cu Volumen total del depósito (m3) VT
  • 299. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 16 Instalaciones de botellas Se da por supuesto que todos los distribuidores de GLP cumplen con los condicionantes respecto a volúmenes máximos de llenado en las botellas que suministran. Básicamente para instalaciones medias se utilizan las botellas de propano con una carga de 35 kg (I-350). En instalaciones más pequeñas pueden usarse botellas de 11 kg (UD-110). En el caso del butano se emplean normalmente la de 12,5 kg (UD-125). Lo que corresponde directamente con la carga útil. Las instalaciones de botellas excepto en pequeñas instalaciones domésticas, se calculan con dos bloques de botellas y cambio automático cuando uno de los bloques se consume. 3.1.3 Dimensionado de tuberías El sistema de cálculo de las tuberías puede considerarse equivalente al del cálculo expuesto anteriormente para instalaciones de gas natural, cambiando únicamente los valores de presiones típicos y propiedades del gas. Para el propano se toma una presión mínima de 1,6 bar que es la que suministra el regulador a la salida del almacenamiento y se limita la pérdida de carga a lo largo de la canalización (hasta el regulador del consumo) a un 25%, es decir 0,4 bar. Esta caída de presión puede repartirse uniformente (calculando los diámetros mediante la fórmula de Renouard). O elegirse de antemano la caída en cada tramo.
  • 300. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 Anexos Demandas Tabla 2. Potencias de los principales consumos domésticos. Aparato Potencia Nominal (kcal/h) Cocina-horno 10.000 Encimera 5.000 Calentador instantáneo (10 l/min) 20.000 Caldera mixta 20.000 Caldera de calefacción 12.000 Secadora 4.000 Poderes caloríficos Tabla 3. Poder calorífico de los principales combustibles gaseosos PCS en Volumen PCS en masa (kcal/kg) (kcal/Nm³) Gas natural De 9000 a 10500 Propano Comercial 11600 Butano comercial 11800 17
  • 301. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 18 Tuberías Tubos de acero Serán de acero estirado sin soldadura o acero soldado helicoidal o longitudinalmente. La calidad de la tubería se ajustará a la norma DIN 1629, grado ST 35.1 o ST 37.0 y sus dimensiones a las normas DIN 2440 o DIN 2448. Los tubos se fabricarán con acero de los tipos indicados en la norma UNE 36.090 u otra de reconocido prestigio. Los tubos soldados se fabricarán por conformación mecánica de una banda y se soldarán con soldadura a tope o mediante soldadura eléctrica por resistencia (contacto o inducción)
  • 302. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 19 Tubos de polietileno Los tubos se fabricarán de acuerdo con la norma UNE 53.333, pero aplicando las restricciones que se establecen en esta especificación y en el Reglamento de Redes y Acometidas de Combustibles Gaseosos. Cumplirán con las características que se marcan en la siguiente tabla. SDR DN Espesor Ø INT (1) Ø INT (2) (mm) (mm) (mm) (mm) MPA-BP MPB 32 3,0 26,0 - 11 11 63 5,8 51,4 - 11 11 90 8,2 73,6 - 11 11 110 10,0 (6,3) 90,0 97,4 17,6 11 160 14,6 (9,1) 130,8 141,4 17,6 11 200 18,2 (11,4) 163,6 177,2 17,6 11 315 18,2 (11,4) - 279,2 17,6 11 (1) Para tubería SDR 11 (2) Para tubería SDR 17,6 Las tolerancias tendrán que cumplir lo indicado en la norma UNE 53.333. Las tuberías tendrán que haber cumplido los ensayos definidos en la norma 53.333. La tubería para diámetros inferiores o iguales a 90 mm podrá ser de tubos rectos de 8 m o de rollos, para diámetros superiores sólo se permitirá la suministrada en tubos de 8 m ó 12 m para diámetros nominales de 110 mm y 160 mm. Se podrá utilizar para MPB, MPA y BP cumpliendo las condiciones de montaje.
  • 303. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 20 Cobre estirado sin soldadura Los tubos se fabricarán de acuerdo con la Norma UNE 37.141, pero aplicando las restricciones que se establecen en esta especificación y en el Reglamento de Redes y Acometidas de Combustibles Gaseosos. Espesor (mm): 0.75 1.0 1.2 1.5 2.0 Diámetro exterior Diámetro interior (mm) 2.5 (mm) 6 4,5 4 -- -- -- -- 8 6,5 6 -- -- -- -- 10 8,5 8 -- -- -- -- 12 10,5 10 -- -- -- -- 15 13,5 13 -- -- -- -- 18 16,5 16 -- -- -- -- 22 -- 20 19.6 19 -- -- 28 -- 26 25.6 25 -- -- 35 -- 33 32.6 32 -- -- 42 -- 40 39.6 39 -- -- 54 -- -- 51.6 51 -- -- 64 -- -- -- 61 60 -- 76 -- -- -- 73 72 -- 89 -- -- -- -- 85 84 108 -- -- -- -- 104 103
  • 304. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 Presiones de vaporización de los GLP Temperatura (ºC) Presión de Vaporización (aproximada) (bar) Propano Butano -40,0 0,09 -34,4 0,38 -28,9 0,74 -23,3 1,15 -17,8 1,62 -12,2 2,16 -6,7 2,81 -1,1 3,56 4,4 4,36 0,2 10,0 5,32 0,5 15,6 6,38 0,8 21,1 7,54 1,1 26,7 8,83 1,5 32,2 10,29 2,0 37,8 11,88 2,6 43,3 13,60 3,2 21
  • 305. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 Botellas GLP Instalación tipo de botellas de propano I-350 (el número de botellas es variable). 22
  • 306. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 Nº de bombonas Long. (a) de total caseta (m) 2 1,8 6 2,5 8 3,2 10 3,9 12 4,60 ó 3,24 14 3,7 16 4,06 18 4,48 20 4,88 22 5,3 24 5,68 26 6,1 28 (Máximo) 6,3 Colocación de las botellas 1,1 4 Nº de puertas 1 En línea En línea 2 En línea Línea o tresbolillo 2 Tresbolillo 3 Tresbolillo 23
  • 307. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 Depósitos de GLP Depósitos con capacidad de almacenamiento hasta 36.000 l. 24
  • 308. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 Simbología de instalaciones de gas 25
  • 309. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 26
  • 310. Tecnologia Energètica. Pràctica 1 27
  • 311. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE SISTEMAS INDUSTRIALES Área de Máquinas y Motores Térmicos Tecnología Energética Práctica 2 Diseño de una instalación de suministro de gasóleo para una caldera de calefacción En un edificio industrial que posee un tanque de gasóleo enterrado se quiere instalar una caldera de calefacción con una potencia nominal de 400kW. Esta caldera se prevé que funcione ininterrumpidamente durante 24h y con un depósito que alimente por gravedad la caldera que se encuentra a 1 m por encima del nivel del quemador. Se trata de una empresa que realiza tres turnos de trabajo y posee un tanque de combustible de 30m3 para alimentar las calderas destinadas al proceso industrial Datos del problema: PCI del gasóleo 43.200 kJ/kg Densidad del gasóleo 900 kg/m3 El depósito nodriza está a una distancia de la caldera de 30m a) Dimensionar el depósito nodriza (pequeño) para una autonomía de 2 días si dejase de funcionar la bomba. Considerar un volumen un 20% superior al volumen resultante. b) Seleccionar el diámetro de tubería según las tablas que nos da el fabricante de la caldera. c) Colocar en la instalación, tanto en el depósito enterrado como en el de alimentación de la caldera todos los elementos necesarios en la instalación. d) Tipo de gasóleo a utilizar.
  • 312. Tecnología Energética Pràctica 2. Instalaciones de combustibles líquidos
  • 313. Tecnología Energética. Práctica 2 Combustibles líquidos 2 1 Clasificación de los combustibles líquidos El reglamento de productos químicos, en una de sus instrucciones técnicas complementarias, ITCMIE-APQ 001, realiza una clasificación de los productos inflamables en los siguientes grupos: Clase A Productos licuados cuya presión absoluta de vapor a 15 °C sea superior a 98 kPa (1 kg/cm²). (Gas natural, propano, propileno, cloruro de metilo,...). Clase B Productos cuyo punto de inflamación es inferior a 55 °C y no están comprendidos en la clase A (Gasolinas, querosenos, naftas, acetona,...). Clase C Productos cuyo punto de inflamación está comprendido entre 55°C y 100°C (gasóleos, fuelóleos, fenol, formaldehído,...). Clase D Productos cuyo punto de inflamación es superior a 100°C (Betunes, alquitranes,...). Los combustibles líquidos comerciales utilizados en la industria para producción de calor o alimentación de motores son en su inmensa mayoría líquidos inflamables derivados del petróleo de calidad inferior a las gasolinas y las naftas, es decir gasóleos y fuelóleos. Aunque los fuelóleos presentan una cierta importancia en los grandes transportes transoceánicos, su menor utilización en el resto de la industria, sobre todo de pequeño y mediano tamaño, así como su cada vez menor uso debido a problemas de utilización y medioambientales, va ha hacer que nos centremos en instalaciones de gasóleo, mucho más extendidas. Los gasóleos, en cuanto a composición, son combustibles líquidos destilados del petróleo, formados por mezclas complejas de hidrocarburos de cadena entre 14 y 20 carbonos, cuyo intervalo de ebullición está entre 220 y 390 ºC. Situándose por tanto entre las gasolinas y los fuelóleos. Los gasóleos son productos químicos inflamables de clase C. Pero a su vez los gasóleos se clasifican en tipo A, B y C.
  • 314. Tecnología Energética. Práctica 2 Combustibles líquidos 3 Los gasóleos A y B se utilizan para automoción y no hay más diferencias físicas entre ellos que el color. Por el contrario el gasóleo de tipo C es de calefacción y tiene unas restricciones legales distintas en cuanto a sus propiedades. 2 Propiedades de los combustibles líquidos Los gasóleos son compuestos muy heterogéneos y de composición variable, por lo que su caracterización se basa en el ensayo y medida de las distintas partidas. Siendo muchas de las propiedades y ensayos usados únicamente en este tipo de combustibles. 2.1 Características físicas básicas Densidad relativa (respecto al agua a 4ºC y 1 atm). Es función (en el campo de uso aproximadamente lineal K=0.00068) de la temperatura y la referencia se suele medir a 15ºC. Poder calorífico (superior e inferior) 2.2 Características relacionadas con la composición Contenido en azufre Es importante por causar corrosión y contaminación ambiental. Depende de la composición exacta del combustible. Contenido en agua y partículas sólidas Estabilidad a la oxidación Resistencia del producto a la oxidación (implica la formación de gomas y polímeros).
  • 315. Tecnología Energética. Práctica 2 Combustibles líquidos 4 Contenido en cenizas Es el residuo inorgánico que queda tras calcinación del residuo que queda tras la combustión. 2.3 Características relacionadas con la combustión Punto de inflamación Temperatura a la cual se emiten suficientes vapores como para inflamarse en presencia de llama. Residuo carbonoso Ramsbottom Tendencia del combustible a producir inquemados. Índice de cetano Se emplea únicamente en motores e indica la rapidez de la combustión mediante la comparación con mezclas de n-cetano con ∝-cetil-naftaleno. El índice de cetano es el porcentaje de n-cetano en la mezcla equivalente que posee el mismo poder de combustión. 2.4 Características relacionadas con el Transporte Viscosidad cinemática, en centistokes (mm²/s). Punto de enturbiamiento y punto de obstrucción del filtro en frío (POFF) Indica las temperaturas mínimas de uso del gasóleo, viene limitada por la formación de hidrocarburos de cadena muy larga (parafinas). Valores típicos medios de ciertas propiedades Propiedad A-B C P.C.I. (Kcal/Kg) 10.800 9.800 Residuo Carbonoso 0,3 % 0,35 % Viscosidad cinemática 2,95 cSt 3,1 cSt POFF (ºC) - 4 / -20 - 11
  • 316. Tecnología Energética. Práctica 2 Combustibles líquidos 5
  • 317. Tecnología Energética. Práctica 2 Combustibles líquidos 6
  • 318. Tecnología Energética. Práctica 2 Combustibles líquidos 7 3 Instalaciones de combustibles líquidos 3.1 Tanques Los tanques de almacenamiento de productos líquidos inflamables de la clases B, C y D no se encuentran a presión, ni cumplen más misión que la de almacenar el producto manteniéndolo inalterado. Debido a esto, el único punto de cálculo es el correspondiente al volumen mínimo de acumulación. De todas formas la justificación de la disposición del depósito si está sujeta a múltiples comprobaciones, debido al peligro intrínseco de los combustibles y a la alta toxicidad de sus fugas. Todo esto se encuentra reflejado en la MI-IP-03 Reglamento de instalaciones petrolíferas de uso propio. Las disposiciones permitidas son múltiples: Enterrados Los tanques se instalarán con sistema de detección de fugas, tal como cubeto con tubo buzo, doble pared con detección de fugas. Se limitará la capacidad total de almacenamiento, en interior de edificaciones, a 30 m³ para líquidos de la clase b y 100 m³ para los de las clases c y d. De superficie Los tanques, en caso de ser necesario, dispondrán de protección mecánica contra impactos exteriores. Los tanques de simple pared estarán contenidos en cubetos. A menos que contengan menos de 1.000 litros de productos de las clases c o d, en los que se puede usar una bandeja de recogida con una capacidad de, al menos, el 10 por 100 de la del tanque. En el interior de edificios La capacidad total de almacenamiento dentro de edificaciones se limitará a 3 m³ para los productos de la clase b y a 100 m³ para los productos de las clases c y d. En los almacenamientos con capacidad no superior a 5.000 litros para los productos de las clases c y d, la distancia mínima entre el tanque y la caldera u otro elemento que produzca llama o calor será de
  • 319. Tecnología Energética. Práctica 2 Combustibles líquidos 8 1 metro en proyección horizontal o en su defecto 0,5 metros con tabique de separación entre ambos, con una resistencia mínima al fuego de 120 minutos. Todos los almacenamientos de la clase b y los de capacidad superior a 5.000 litros de las clases c y d, deberán estar situados en recinto dedicado exclusivamente a este fin. En el exterior de edificios La capacidad del cubeto cuando contenga un solo tanque será igual a la de éste, y se establece considerando que tal recipiente no existe; es decir, será el volumen de líquido que pueda quedar retenido dentro del cubeto incluyendo el del recipiente hasta el nivel de líquido del cubeto. En fosa Cerrada, abierta o semiabierta. Semienterrados En disposición semienterrada, el depósito se cubre con arena a pesar de estar parcialmente situado por encima de la cota de rasante. En donde, las dimensiones expresadas deben ser: a) debe estar comprendido entre 0,5 m como mínimo y 1,5 m como máximo. b) debe ser 1 m como mínimo. c) y d), según lo establecido en las normas UNE-EN 976(2) y UNE 109.502 (dependiendo del tipo de tanque).
  • 320. Tecnología Energética. Práctica 2 Combustibles líquidos 9 3.2 Tuberías 3.2.1 Materiales “Las tuberías para las conducciones de hidrocarburos serán de fundición dúctil, acero, cobre plástico u otros materiales adecuados para la conducción del producto petrolífero de que se trate, siempre que cumplan las normas aplicables UNE 19 011, UNE 19 040, UNE 19 041, UNE 19 045, UNE 19 046 y UNE-EN 1057. Para la tubería de cobre el espesor de pared mínimo será de 1 milímetro.” 3.2.2 Tipos de tuberías Tubería de carga, para el llenado del depósito. Tubería de ventilación Permite que el vaciado y el llenado del depósito re realice sin que se produzcan variaciones de presión. Tubería de extracción, o de aspiración, del combustible. Es el encargado de alimentar a los consumos. Tubería de retorno Puede existir o no dependiendo del tipo de instalación realizado. Por ejemplo un retornodel regulador al depósito. 3.2.3 Dimensionado de redes de tuberías Las tuberías de carga y ventilación vienen determinadas por la norma MI-IP03. Las tuberías de extracción y retorno se dimensionan de acuerdo con las pérdidas de carga, dependiendo de las capacidades de bombeo disponibles y admisibles en los consumos. Se utilizan formulas normales de cálculo de instalaciones de fluidos incompresibles tales como: Darcy – Weisbach Donde: hf = Perdida de carga en el tramo que se estudia. L = Longitud del tramo considerado de una tubería. D = Diámetro de la tubería en el tramo que se considera. f = Factor de fricción determinado en función de la relación entre la rugosidad absoluta del material y el diámetro de la tubería (e/D), así como el número de Reynolds (Re).
  • 321. Tecnología Energética. Práctica 2 Combustibles líquidos 10 Cuando el régimen es laminar, el número de Reynolds Re < 2.000, el factor de fricción se puede obtener con la fórmula de Poiseville: Y en general siempre se puede usar la fórmula de White – Colebrook: Siendo la relación que existe entre la rugosidad absoluta y el diámetro de la tubería (ε/D) la llamada rugosidad relativa (εr). Y el número de Reynolds Donde: Re = Número de Reynolds ρ = Densidad del fluido µ= Viscosidad absoluta del fluido v = Velocidad del fluido En las longitudes se emplea la longitud equivalente, mediante la siguiente tabla o aplicando un 20% más de longitud. Diámetro del tubo en mm. Codo de 90º Curva de 90º Válvula de Válvula de retención compuerta 25 2 1 4 2 32 2,5 2 4 2 40 2,5 2 4 2 50 2,5 2 5 2 60 3 2 5 3
  • 322. Tecnología Energética. Práctica 2 Combustibles líquidos 3.3 La instalación de combustible líquido 3.3.1 Componentes del sistema Depósito. Boca de carga. Tuberías. Válvulas. De corte. Antiretorno. De seguridad. Reguladoras de presión. Bombeos. Filtros. Depósitos nodriza. Resistencias de calentamiento. Botellas tranquilizadoras. 3.3.2 Componentes adicionales Protecciones anti-corrosión. Cubetos. Tubos buzos. Indicadores de nivel. 3.3.3 Tipos de instalación 11
  • 323. Tecnología Energética. Práctica 2 Combustibles líquidos 12
  • 324. Tecnología Energética. Práctica 2 Combustibles líquidos Ejemplo extraído del catálogo de un quemador. 13
  • 325. Tecnología Energética. Práctica 2 Combustibles líquidos 14
  • 326. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA PRÁCTICA nº3 Estudio Energético de una instalación de bombeo de agua
  • 327. Tecnología Energética. 1 1 Introducción La mayoría de instalaciones hidráulicas que se realizan suelen estar diseñadas para cubrir unas necesidades ya de por sí holgadas. La selección tanto de bombas como de tuberías la tendencia es a elegir diámetros y bombas comerciales por encima de las características que necesita nuestra instalación. Ello nos lleva a la situación de que el caudal de la mayoría de las instalaciones puede ser excesivo, bien desde el punto de vista energético como desde el punto de vista de confort ya que podemos haber calculado una instalación con unas velocidades en conductos que no superen unos máximos para evitar ruidos y la selección de la bomba nos va a llevar a velocidades excesivas en algún tramo de la instalación. En esta práctica estudiaremos el funcionamiento de una instalación hidráulica y evaluaremos las posibles mejoras para conseguir un ahorro energético de la misma adaptando el caudal a las necesidades de nuestra instalación. 2 Descripción de la práctica Podemos suponer que nuestra instalación de Laboratorio simula una instalación real donde una bomba impulsa agua a un fan-coil, climatizador o similar desde un depósito de inercia respondiendo al siguiente esquema: 3 Realización de la práctica 3.1 Determinacion de las condiciones iniciales de funcionamiento Con ayuda de las válvulas del sistema intentaremos conseguir el caudal real al que hemos considerado que pasa a través de nuestro sistema en condiciones reales, es decir 50 l/min. En este punto de funcionamiento determinaremos el punto de funcionamiento de la bomba (P, Q), el consumo de la misma y calcularemos su rendimiento. Presión (bar) Caudal (l/min) La potencia útil comunicada a un fluido es la siguiente: Put = Q ⋅ ∆P (W) Put ∆P (Pa) Q (m3/s) ( 1 bar = 105 Pa) Consumo (W)
  • 328. Tecnología Energética. 2 El tratamiento de los datos de la bomba nos da los siguientes resultados: Potencia comunicada al fluido (W) Consumo eléctrico (W) Rendimiento de la bomba (%) En la realidad es probable que sólo podamos conocer el dato de presión, por lo que deberemos entrar en la curva de la bomba y obtener el caudal que está circulando. Si obtenemos el dato de caudal a través de la curva de la bomba: (1 bar = 10,2 m c.a. 1 bar ≅ 10 m c.a.) Presión (bar) Caudal (l/min) (gráfico) Potencia comunicada al fluido (W) Consumo eléctrico (W) Rendimiento de la bomba (%)
  • 329. Tecnología Energética. 3 Con estos datos intentaremos averiguar cual es la curva caudal-pérdida de carga del fan coil o climatizador. Si tuviésemos una instalación convencional sin variador de frecuencia podríamos suponer que dentro de un rango de caudales cercanos al punto obtenido la pérdida de carga del climatizador es proporcional al cuadrado del caudal que pasa por ella: ∆P (bar ) = K ·Q 2 (m 3 / h) ∆P Q (bar) (m3/h) ∆P (bar ) = ·Q 2 (m 3 / h) Otra forma de obtener la curva utilizando la instalación del laboratorio sería leer la presión que nos suministra la bomba para varios puntos de caudal mediante la variación de velocidad de giro de la bomba. La energía que está degradando la unidad de fan coil se puede obtener utilizando la expresión siguiente: Pdeg r = Qc arg a ⋅ ∆Pc arg a (W) Pdegr ∆Pcarga (Pa) Qcarga (m3/s) Una vez tenemos los datos del punto de funcionamiento, intentaremos corregir el caudal de la instalación para adaptar éste al de diseño, que debe ser suficiente para satisfacer las necesidades de nuestra instalación, es decir a 35l/min. Para ello utilizaremos tres sistemas diferentes de regulación del caudal, anotaremos los mismos datos que para el funcionamiento actual y analizaremos cual de los sistemas es energéticamente más conveniente. 3.2 Regulación por válvula serie La primera consiste en aumentar las pérdidas de carga en la red mediante el cierre de la válvula en serie con la impulsión de la bomba, hasta llegar al caudal de diseño. Anotaremos el punto de funcionamiento de la bomba Presión (bar) Caudal (l/min) Consumo (W) Rendimiento de la bomba (%)
  • 330. Tecnología Energética. 4 3.3 Regulación por válvula paralelo La segunda es el derivar parte del caudal de la bomba de nuevo hacia el depósito sin pasar por nuestra red de distribución. Presión (bar) Caudal (l/min) Consumo (W) Rendimiento de la bomba (%) 3.4 Regulación por variación de frecuencia Con la ayuda del variador de frecuencia que tiene instalado la bomba, reduciremos las revoluciones de la misma para adaptar la instalación al caudal teórico de diseño. Presión (bar) Caudal (l/min) Consumo eléctrico (W) Rendimiento de la bomba (%) 2.4 Cálculos de consumo Una vez realizados estos ajustes por los diferentes sistemas y anotado el punto de funcionamiento de la bomba, consumo y calculado el rendimiento de la instalación, pasaremos a realizar los cálculos pertinentes para analizar si nos interesa actuar sobre el sistema en caso de tener un circuito sobredimensionado y si fuese así, averiguar el método que nos conviene adoptar para conseguir el máximo ahorro energético y analizar el ahorro los costes que pudiese tener una inversión a la hora de aplicar alguno de los tres sistemas. Con los datos anteriores calcularemos los ahorros en energía que se producen con cada una de las posibilidades (dejarla como está, regular con válvula serie o paralelo, regular con el variador). Instalación Caudal (l/min) Inicial (50l/min) 35 Regulación con variador Consumo anual 8760 h/ año (kWh) 35 Regulación válvula paralelo Consumo anual 3000 h/año (kWh) 50 Regulación válvula serie Potencia consumida (W) 35 Con estos datos calcularemos la curva resistente del sistema en cada caso y la dibujaremos en la siguiente gráfica, para la situación inicial y cada una de las actuaciones propuestas. Indicando los puntos de funcionamiento inicial y de cada situación.
  • 331. Presión (bar) Caudal (l/min) Tecnología Energética. 5
  • 332. Tecnología Energética. 6 2.4 Estudio de viabilidad de mejoras Una vez hecho esto evaluaremos la viabilidad económica de las posibles mejoras. Precio de la energía eléctrica 0,0849 €/kWh (Tarifa 4.0; P<15 kW) Precio variador de frecuencia instalado 300€ Instalación Rend. Total Costes Inversión Coste anual bombeo 3000 h/año (€) Rend. Total Costes Inversión Coste anual bombeo 8760 h/año (€) TSR VAN a 3 años (€) TSR VAN a 3 años (€) Real Reg. serie Reg. paralelo Variador Instalación Real Reg. serie Reg. paralelo Variador 2.5 Cuestiones 1) ¿Cual sería el ahorro anual frente a la situación inicial, de un sistema que desde el principio se hubiera diseñado conociendo con exactitud la curva resistente y seleccionando una bomba que funcionara exactamente en el punto de diseño y tuviera el máximo de los rendimientos anteriores?. Instalación Rend. Total Cons. Anual 3000 h/año (€) Cons. Anual 8760 h/ año (€) Costes Inversión Situación inicial Diseño óptimo 2) ¿En que tipo de instalaciones podemos aplicar estos métodos?, ¿por qué? Ahorro anual 3000 h Ahorro anual 8760 h
  • 333. Tecnología Energética. Modelo Prisma 15 5 CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS A P1 (kW) 230 V 50Hz 230/400 V 50Hz 1~ kW 3~ 1~ 230 V 230 V HP µF 3~ 400 V Prisma15 2M Prisma15 2 2,0 1,8 1,04 0,45 0,46 0,24 0,33 12 Prisma15 3M Prisma15 3 2,74 2,1 1,21 0,61 0,61 0,37 0,5 12 Prisma15 4M Prisma15 4 3,53 2,3 1,3 0,79 0,7 0,55 0,75 12 Prisma15 5M Prisma15 5 4,13 3,3 1,9 0,95 0,94 0,75 1,0 12 CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS l/m 10 20 30 35 40 50 60 65 3 0,6 1,2 1,8 2,1 2,4 3,0 3,6 3,9 Prisma15 2 21 20 16,5 16 14 10,5 7 5 Prisma15 3M Prisma15 3 32 30 26 24 22 17 10,5 7 Prisma15 4M Prisma15 4 43 39 35 32 27 21.5 14 9 Prisma15 5M Prisma15 5 51 47 42 38 34 25 17 12 230 V 50Hz 230/400 V 50Hz Prisma15 2M m /h 7
  • 334. TECNOLOGÍA ENERGÉTICA PRÁCTICA nº4 Estudio Energético de una máquina enfriadora de agua
  • 335. Tecnología Energética. Pràctica 4 1 1 Introducción En esta práctica estudiaremos el funcionamiento de la máquina de refrigeración del laboratorio. Frente a situaciones de falta de mantenimiento o ubicación inadecuada. Para ello provocaremos una reducción el caudal de aire en una zona del condensador y también dificultaremos el paso del aire en el fan-coil empeorado el intercambio de calor en éste. Esto lo simularemos obstruyendo el paso de aire con unos obstáculos situados en los intercambiadores. 2 Realización de la práctica La primera parte de la práctica consiste en llevar la enfriadora (bomba de calor) a régimen en la peor situación, es decir con obstáculos tanto en el condensador como en el evaporador que nos simularán una posible falta de mantenimiento en la unidad (tiempo de estabilización: 5-10 min). Una vez alcanzado el régimen estacionario, leeremos los datos de consumo eléctrico tanto del conjunto como del compresor. Así como la temperatura de impulsión y retorno del circuito de agua y su caudal. Con los datos calcularemos la eficiencia energética en refrigeración (EER) de la máquina enfriadora, de nuestra instalación y el rendimiento (ηt) de la instalación en su conjunto. Tendremos que tener en cuenta que la energía útil no es directamente la adquirida por el agua sino la cedida por el aire en el Fan-coil (no son iguales). Con la ayuda de la instrumentación situada en la instalación tomaremos datos de funcionamiento de la instalación. Una vez conseguido el punto de funcionamiento anterior y anotados los datos necesarios, eliminaremos los obstáculos y realizaremos la misma toma de datos que en el caso anterior. Tomaremos medidas eliminando cada uno de los obstáculos por separado y sin ninguno de los dos. Consumo compresor y Consumo bomba recirculación Ventilador Fancoil (kW) (kW) Obstáculo en condensador y fan-coil Obstáculo en condensador Obstáculo en Fan-coil Sin obstáculos Temperatura impulsión agua (ºC) Temperatura retorno agua (ºC) Caudal agua (l/h)
  • 336. Tecnología Energética. Pràctica 4 2 El consumo de la bomba que en la práctica se mide conjuntamente con la potencia del compresor es de 220W. Y las presiones para cada condición de funcionamiento Presión de Aspiración del compresor (bar) Presión de descarga del compresor (bar) Presión entrada válvula de expansión (bar) Presión de entrada al evaporador (bar) Obstáculo en condensador y fan-coil Obstáculo en condensador Obstáculo en Fan-coil Sin obstáculos 1.3 Cálculos Con los datos anteriores calcularemos las pérdidas de energía primaria que se producen por cada uno de los defectos de caudal de nuestra instalación, suponiendo que el régimen fuera constante, cosa que es difícilmente cierta. Instalación EER. Enfr. Rend. Total Instalación Potencia útil térmica (kW) Consumo anual 3000 h/ año (kWh-e) Obstáculo en condensador y fan-coil Obstáculo en condensador Obstáculo en Fan-coil Sin obstáculos Una vez hecho esto evaluaremos el ahorro económico de las mejoras. Consumo anual 8800 h/ año (kWh-e)
  • 337. Tecnología Energética. Pràctica 4 Instalación Rend. Total Coste Anual 3000 h/año (€) Coste. Anual 8760 h/ año (€) 3 Ahorro Ahorro anual anual 3000h 8760h Obstáculo en condensador y fancoil Obstáculo en condensador Obstáculo en Fancoil Sin obstáculos 1.4 Cuestiones 1) ¿De que dependerá que se realice o no el mantenimiento de los equipos?, ¿con que criterio lo plantearíamos? Y ¿qué datos nos harían falta? 2) Al reducirse la entrada de aire en el ventiloconvector se reduce el consumo, por lo que aparentemente se ahorra dinero, ¿podrías explicar lo que sucede realmente? 3) Relacionándolo con la práctica anterior (práctica 3) y teniendo en cuenta que muchos equipos aireagua de pequeña y mediana potencia se venden con un grupo de bombeo estándar, ¿por que piensas que no se hace para grandes potencias?
  • 338. Tecnología Energética Práctica 5. Rendimiento de una caldera
  • 339. RENDIMIENTO DE UNA CALDERA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE SISTEMAS INDUSTRIALES Área de Máquinas y Motores Térmicos Tecnología Energética PRÁCTICA 5. RENDIMIENTO DE UNA CALDERA La práctica consiste en medir el rendimiento de la caldera de agua caliente instalada en el laboratorio. La Figura muestra el esquema de funcionamiento de la caldera. El circuito de recirculación del agua de la caldera se fijará a 1000 l/h, determinándose el rendimiento del sistema cuando produce agua caliente a 45◦ C. Para ello Se debe regular el caudal de agua de red a unos 500 l/h. Determinar en este caso: 1. Rendimiento de la caldera y del sistema por el método directo. Medición de potencia del combustible y potencia aportada por la caldera. 2. Rendimiento de la caldera y del sistema por el método indirecto. Medición de las pérdidas en los gases de escape, por inquemados y por las paredes. 3. Determinar pérdidas en las líneas y en intercambiador. Realizar un diagrama de Sankey del conjunto. 4. Costes de funcionamiento ( C/m3 de agua caliente) y comparación con el calentamiento de agua mediante electricidad (η = 1). Precio GLP = 60 cC/kg, Precio energía eléctrica = 8 cC/kWh. Prácticas de Tecnología Energética
  • 340. RENDIMIENTO DE UNA CALDERA FASES DE LA PRÁCTICA 1. Planificación de la práctica: medidas a realizar, instrumentación a emplear y modo de realizar las medidas La instrumentación empleada es la siguiente: • 4 sondas de temperatura (sistema de adquisición de datos). Medidas de las temperaturas de impulsión y retorno del circuito de recirculación ti,rec ,trr ec , y las temperaturas de entrada y salida del agua caliente te,ac ,tsa c . • 1 analizador de humos: %O2 , %CO2 , COppm y temperatura de los humos ts,ge • 2 caudalímetros: medida de caudal de recirculación y caudal de agua caliente • 1 contador de gas y cronómetro: medida de consumo de combustible • 1 sonda de mano para la medida de temperatura superficial La potencia del combustible se mide mediante: ˙ Qc = mc PCI ˙ (0.1) donde el gasto másico del combustible se calcula mediante la diferencia de lecturas del contador de gas en 5 minutos. El calor aportado por la caldera al circuito de circulación es: ˙ Qrec = mrec c p,rec (ti,rec − trr ec ) ˙ (0.2) El calor útil aportado por la caldera al agua caliente es: ˙ Qac = mac c p,ac (ts,ac − tea c ) ˙ (0.3) Para el método indirecto, se calculan las pérdidas por inquemados, gases de escape, paredes y circuito de recirculación. Lás pérdidas por inquemados se calculan a partir del análisis de humos mediante: Pinq (%) = CO CH 21 + × 21 − O2 3100 1000 (0.4) Las pérdidas en los gases de escape se calcula mediante: Pgases (%) = 100 × mg c p,g (tg − ta ) ˙ m f PCI ˙ (0.5) Las pérdidas por las paredes se calculan siguiendo la formulación mostrada en la lección 8 del libro de la asignatura i=n Ppar = ∑ Ai he (t p,ext − tamb ) (0.6) i=1 Para las pérdidas en el circuito de recirculación se emplea una ecuación similar aplicada a la red de tuberías. Prácticas de Tecnología Energética
  • 341. RENDIMIENTO DE UNA CALDERA 2. Toma de datos 3. Cálculos 4. Resultados Prácticas de Tecnología Energética
  • 342. Tecnología Energética Práctica 6. Captadores Solares Térmicos
  • 343. CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE SISTEMAS INDUSTRIALES Área de Máquinas y Motores Térmicos Tecnología Energética PRÁCTICA 6. CAPTADORES SOLARES Se va a realizar un análisis de la instalación de captadores solares térmicos situada en el laboratorio. En primer lugar se va a realizar un esquema de la instalación, situando los distintos elementos y la instrumentación. Prácticas de Tecnología Energética
  • 344. CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS ESQUEMA DE LA INSTALACIÓN DE CAPTADORES SOLARES RENDIMIENTO DEL CAPTADOR Determinar los puntos de la curva de rendimiento del colector partiendo de los datos medidos. Prácticas de Tecnología Energética
  • 345. CAPTADORES SOLARES TÉRMICOS APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DE LOS CAPTADORES Partiendo de los datos de consumos y temperaturas de depósito, determinar el grado de utilización de los colectores. DATOS COLECTORES RET 50,1 47 46,8 45,3 43,9 43,5 50,9 43,2 27,6 IMP 46,3 44 44,1 43 43,8 43,4 43,3 42,3 22,3 RED 23,9 23,7 23,8 21,7 23,3 23,3 23 22,8 22 RED 23,9 23,6 23,7 24,8 23,3 23,3 26 25,2 22,1 INF_D 42 39,2 41 32,1 42,1 42,1 39,6 37,2 30,5 SUP_D 43,4 40,7 42,4 44,1 43,7 43,6 44,2 44,4 42 TEXT 24,2 24 24,6 25,3 22,4 22,4 25,6 23,2 13,7 RAD 54,2 51,6 49,9 44 42,1 41,1 36,1 29,4 0,1 12/01/2004 10/01/2004 10/01/2004 10/01/2004 11/01/2004 11/01/2004 10/01/2004 11/01/2004 12/01/2004 13:17:03 13:26:55 14:06:39 14:51:35 14:11:28 14:02:21 15:34:13 15:51:04 5:32:25 09/01/2004 10/01/2004 11/01/2004 12/01/2004 8:33:39 8:33:55 8:33:48 8:34:15 25,7 25 26,9 26,2 22,9 22,5 22,8 22,6 21,9 22 22 21,8 23,7 23,6 24 23,7 25,9 25,9 27,3 26,4 39,9 36,9 41,7 41,2 18,3 17,5 15,1 13,7 2,3 1,9 2,5 1,6 09/01/2004 10/01/2004 11/01/2004 12/01/2004 13:06:52 13:06:34 13:06:27 13:05:56 37,5 45,9 44,8 48,7 34,1 43 44,8 45,9 23,2 23,7 23,3 23,9 23,3 23,6 23,3 23,9 32 38,1 40,5 41,4 39 39,8 42,1 42,8 21,2 23,2 21,2 23,1 24,9 51,2 45,8 51,5 09/01/2004 10/01/2004 11/01/2004 12/01/2004 19:19:17 19:18:54 19:18:36 19:18:21 28,8 32,2 31,3 33 24,9 25,4 23,9 25,2 23,2 23,8 22,9 24 23,2 23,8 22,9 24 35,2 40,6 38 40,9 38,8 44,2 43,9 45,5 20,2 20,9 14,8 18,8 0,1 0,1 -0,1 0 Prácticas de Tecnología Energética
  • 346. Tecnología Energética Práctica 7. Cogeneración
  • 347. Tecnologia Energètica. Pràctica 8. Cogeneració 2 1 Antecedentes Una lavandería que tiene unas necesidades térmicas específicas y que vienen dadas en la tabla adjunta genera vapor y agua caliente a través de una caldera o generador de vapor para cubrir sus necesidades. 2 Objetivo de la práctica Se pretende instalar un sistema de cogeneración y utilizar la energía térmica del motor de combustión interna para cubrir las necesidades de calor de la lavandería. La electricidad generada se venderá. Para ello se propone estudiar la instalación de dos grupos generadores de 650 kW de potencia eléctrica generada o un grupo de 1350 kW de forma que se aproveche totalmente la energía que generan y mantener un generador de vapor de apoyo en los casos en los que no se pueda cubrir totalmente la demanda de calor de la lavandería. 3 Necesidades energéticas de la lavandería En la tabla adjunta de Excel se exponen las necesidades de vapor para el secado y planchado de ropa, de energía a baja temperatura para realizar el lavado y de electricidad que necesita la industria.
  • 348. Tecnologia Energètica. Pràctica 8. Cogeneració ELECTRICIDAD NECESIDADES Potencia máxima contratada (kW) 145 LABORABLE 3,95% 10,00% 15,00% 45,00% 89,00% 90,00% 95,00% 95,00% 95,00% 95,00% 95,00% 95,00% 76,00% 45,00% 72,00% 91,00% 98,00% 39,00% 41,00% 21,00% 4,00% 4,00% 4,00% 5,00% 3 CALOR NECESIDADES Potencia máxima (kW) 1762 LABORABLE 6,07% 13,08% 17,41% 48,07% 95,92% 96,90% 95,75% 95,73% 96,71% 96,80% 96,35% 96,42% 76,44% 45,05% 72,65% 92,15% 98,75% 39,56% 42,46% 27,58% 4,85% 7,35% 10,58% 11,56% %Vapor 80,00% 40,00% 35,00% 12,00% 40,00% 40,00% 40,00% 40,00% 40,00% 40,00% 40,00% 40,00% 40,00% 40,00% 40,00% 40,00% 40,00% 80,00% 95,00% 98,00% 80,00% 80,00% 80,00% 80,00% Las necesidades de baja temperatura es la parte restante que no es vapor. Suponemos que un mes tiene 20 días laborables y la lavandería trabaja todos los meses del año. La caldera instalada tiene un rendimiento del 90% 4 Grupo generador Se propone instalar un grupo generador de 650 kW de potencia nominal eléctrica o uno de 1350 kW. De la energía térmica del generador, podemos aprovechar la energía a baja temperatura para la obtención de agua caliente para el lavado de las siguientes fuentes: Energía del aceite Energía del agua de refrigeración Energía del postenfriador
  • 349. Tecnologia Energètica. Pràctica 8. Cogeneració 4 La energía de alta temperatura que es la energía que nos suministran los gases de combustión podemos utilizarla para obtener vapor o para utilizarla como energía para obtener agua caliente, es decir, utilizarla para cubrir las necesidades de baja temperatura del proceso (obtención de agua caliente para el lavado). Los grupos generadores no funcionarán por debajo del 50% de su potencia nominal. OPCIÓN 1 ( 2 equipos de 650 kW) Combustible Gasoleo (9800 kcal/kg) Consumo (kg/h) Energía cons. (kWh) 1750 Pot. Electr neta 645 36,87% 1,94% Perd. Alternador 34 1,00% Consumos propios 17 AT Gases escape 382 21,80% T= 390ºC Tr= 180 ºC 0,25 Cp= kcal/kgr 6,02% Aceite BT 105 Agua refrig. BT 187 10,70% 5,74% Post.enfriador BT 100 4,70% Radiación 82 TOTAL 1553 88,77% OPCIÓN 2 ( 1 equipos de 1350 kW) Gas Natural (8380 Combustible kcal/Nm³) Consumo (Nm³/h) energía (kWh) 3550 38,03% Energ. Electr neta 1350 Perd. Alternador Consumos propios Gases escape 1,75% 62 0,83% 30 20,92% 743 T= 440ºC Tr= 130ºC Cp= 0,26 kcal/kgr 5,48% 195 12,55% 446 6,11% 217 4,32% 153 90,01% 2732 Aceite Agua refrig. Post.enfriador Radiación TOTAL AT BT BT BT
  • 350. Tecnologia Energètica. Pràctica 8. Cogeneració 5 5 Aprovechamiento de la energía Utilizaremos toda la energía del generador en nuestro proceso industrial teniendo en cuenta las siguientes premisas: • • • Se aprovechará toda la energía del generador para el proceso sin que se desperdicie ésta. La energía de los gases de combustión puede ser aprovechada para calentar el agua caliente del lavado, pero nunca, como es evidente, se podrá aprovechar la energía a baja temperatura para generar vapor. El resto de energía térmica se generará con la caldera existente. 6 Realización de la práctica 6.1 Energía demandada y parámetros de funcionamiento de los grupos generadores Con la ayuda del programa Excel, se confeccionará una hoja de cálculo para cada una de las opciones posibles a tener en cuenta (un grupo generador o dos grupos) de forma que se presenten los siguientes datos: Para cada hora de día laborable, se calculará en kWh • • • • Demanda de energía eléctrica (kWh). Demanda de calor total (kWh). Demanda de vapor (kWh). Demanda de energía a baja temperatura (kWh). Una vez calculados estos datos energéticos se averiguará el régimen de funcionamiento de los generadores para cada hora del día para realizar el aporte de energía al proceso teniendo en cuenta los criterios citados anteriormente de aprovechar totalmente la energía térmica en el proceso. También se ha de tener en cuenta la opción de poder utilizar la energía de los gases de escape para producir agua caliente. Establecido el régimen de funcionamiento de los grupos generadores, se calculará para cada hora, día y mensualmente: • • • • • Energía consumida por los grupos generadores. Energía térmica suministrada por los grupos generadores. Energía térmica que debe aportar la caldera para cubrir las necesidades totales del proceso. La energía eléctrica generada. La energía eléctrica vendida o comprada en cada franja horaria.
  • 351. Tecnologia Energètica. Pràctica 8. Cogeneració 6 6.2 Resultados de la instalación existente con generador de vapor y la proyectada con cogeneración CON CALDERA DE VAPOR MENSUAL DEMANDA ELÉCTRICA DEMANDA DE CALOR TOTAL kg ----- ----- ----- kWh kg ----- CON COGENERACIÓN MENSUAL ENERGIA CONSUMIDA GENERADOR ENERGÍA CONSIMIDA CALDERA ELECTRICIDAD COMPRADA ELECTRICIDAD VENDIDA kWh ------------- 7 Datos para la realización de la práctica Precio del gasóleo 0.1667€/kg Precio de la electricidad comprada 0.09€ kWh Precio de la electricidad vendida 0.045€ kWh Poder calorífico del Gasóleo 9800 kcal/kg ó 11,395 kWh/kg Rendimiento de la caldera 90% € €

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