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Resumen ejecutivo: Eficiencia Energética en Sistemas Térmicos, (ICA-Procobre, Oct. 2016)

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Resumen ejecutivo de la presentación de ICA-Procobre, Oct. 2016: Eficiencia Energética en Sistemas Térmicos

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Resumen ejecutivo: Eficiencia Energética en Sistemas Térmicos, (ICA-Procobre, Oct. 2016)

  1. 1. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN SISTEMAS TÉRMICOS Introducción Actualmente la seguridad energética, el crecimiento económico, el bienestar y felicidad de la población, así como la conservación del medio ambiente son las problemáticas más importantes a resolver para lograr el desarrollo sustentable de los seres humanos. Adicionalmente a lo anterior, la competitividad que se presenta en el sector productivo del mercado actual requiere de la optimización y uso eficiente de la energía. Energías como la electricidad y el vapor son fuentes energéticas de uso final en la industria, para dar abasto a servicios de iluminación, calefacción, agua caliente, y vaporpara procesar, transformar materias y crear productos, vía calderas, intercambiadores de calor, motores eléctricos, lámparas y equipo electrónico, entre muchos otros. Es por ello que el consumo de energéticos en la industria se constituye de electricidad y de diferentes combustibles para llevar a cabo la generación de energía térmica en forma de vapor, agua caliente y refrigeración “La Energía más limpia que existe es la que no se consume ya que no causa ningún efecto en el medio”. La eficiencia energética es el camino más indicado para reducir las emisiones contaminantes de CO2 (dióxido de carbono) a la atmósfera, y por tanto detener el calentamiento global del planeta y el cambio climático Primera Ley de la termodinámica La Termodinámica estudia los procesos de transformación de la energía y permite a través de su primer principio llamado Primera Ley de la Termodinámica, cuantificar la cantidad de recursos naturales (combustible en el caso de la energía térmica) consumidos en un proceso determinado y conocer el costo en términos del capital invertido. El análisis combinado de primera ley junto con la segunda ley de la termodinámica, se enriquece de acuerdo a la siguiente premisa: “Tarde o temprano, todo flujo energético acaba por convertirse en calor a la temperatura ambiente y deja de tener utilidad”. Históricamente podemos citar un sin número de ejemplos en los que el hombre ha utilizado la energía térmica con un propósito. Desde la leña para su propia sobrevivencia a través de las fogatas para calentamiento y cocción de los alimentos. El primer principio se sigue utilizando como la piedra angular para la mayoría de los sistemas energéticos como método de análisis. La solución para una mejora en el análisis de un sistema termodinámico se basa en encontrar la mejor utilización de los recursos.
  2. 2. Hoy en día muchas aplicaciones utilizan flujos térmicos de manera continua y en grandes cantidades. Por ejemplo, el uso de vapor en procesos industriales como industria alimenticia, farmacéutica,papelera,textil, incluso el ciclo Rankine etc., que son consideradas de un alto consumo de vapor. Otro tipo de sistemas térmicos son los que ocupan equipos de combustión con un alto consumo de energía térmica como pueden ser industria cementera, siderúrgica, vidriera, turbinas de gas (aeronáuticas o ciclo Brayton), etc. Aun cuando la utilización de los combustibles fósiles no pueda ser del todo sustentable el desarrollo de análisis termodinámicos puede ayudar a determinar la degradación de la calidad de la energía y tratar de consumir menos recurso (energía térmica) para obtener la misma o una mayor cantidad de producto de un sistema, asiéndolo más competitivo. Recuperación de calor a través de Intercambiadores de calor El calor de desecho o de desperdicio puede definirse como la energía asociada a corrientes o flujos de desecho de aire, gases producto de la combustión y/o fluidos que se expulsan a través de las fronteras de una planta oedificio y entran al medio ambiente. La expulsiónde la energía de desecho es frecuentemente referidacomo contaminación térmica. Se ha estimado que hasta un 50% de la energía consumida en la industria se descarga al medio ambiente como calor de desecho. Desafortunadamente, solamente una fracción de esta energía puede ser recuperada de manera práctica. Típicamente, solo flujos de descarga con temperaturas mayores de 90°C pueden tener una recuperación de calor de desecho económicamente aceptable. “Los procesos industriales típicos podrían ahorrar 20 % de los requerimientos de combustible mediante la recuperación de calor y el manejo de calor de desecho” La principal razón para intentar recuperar el calor de desecho es la parte económica, el calor de desecho que se recupera y utiliza provechosamentereduceel consumo de combustiblesy así mismo reduce los costos de energía relacionados directamente con la producción de bienes. Un segundo beneficio económico resultante esla reducción del costo de capital vinculado a la adquisición deequipo de conversión de energía de menor capacidad. El aspecto económico de los sistemas de calor derecuperación depende de cuatro factores: 1. Debe haber un uso apropiado para el calor de desecho; 2. Debe haberuna cantidad adecuada de calor de desecho; 3. El calor debe ser de una calidad adecuada para el propósito deseado; 4. el calor debe ser usadode manerarentable. El método de recuperación de calor se logra a través de equipos de intercambio de calor. El intercambiador de calor es un dispositivopasivo o activo que directa o indirectamente transfiere calor desde una corriente de desecho caliente a una corriente fría de entrada. En los intercambiadores de calor únicamente se requiere el trabajo mecánico de una bomba o un ventilador pararecircular el medio de intercambio de calor tal como el agua o
  3. 3. el aire, existen una gran cantidad de intercambiadores, los más comunes se muestran en la siguiente tabla. Tabla tipos de intercambiadores Doble tubo Tubos y Coraza Placas En el diseño de un sistema de recuperación de calor de desecho,se debetomar en cuenta: la disponibilidad temporal del calor de desecho, la cantidad de calor de desechoy lacalidad o temperatura del calor de desecho. Si el período de tiempo durante el cual se dispone del calor de desecho no es el mismo que el período en el cual el calor puede utilizarse entonces ese calor debe ser almacenado (incrementa sustancialmente el costo del sistema propuesto) o puede no utilizarse y tirarse al ambiente. La cantidad de calor de desecho disponible debe ser la adecuada para justificar el costo del equipo y el sistema de recuperación.Pequeñas cantidades de calor de desecho frecuentemente no logran justificar el costo del equipo de recuperación. También se debe comparar la cantidad de calor de desecho disponible con la cantidad de calor requerido para aprovechamiento, una diferencia considerable resultaráser económicamente no atractiva, además la calidad del calor de desecho disponible debe ser lo suficientemente alta para justificar el costo de sistema y el equipo de recuperación de calor. La recuperación de calor desde una fuente de temperatura alta es económicamente más factible que de una fuente detemperatura media o baja. Sin embargo, la recuperacióndesde una fuente de alta temperatura es muy costosa dado que el equipo de recuperaciónrequiere un diseño extremadamente cuidadoso yse debenutilizar materiales especiales en su construcción. Para poder determinar la factibilidad del sistema de recuperación se requiere desarrollar un balance de masa y energía para la planta en particular y así proponer el adecuado sistema de recuperación de calor. La energía contenida en el calor de rechazo se utiliza comúnmente en los siguientes procesos:  Calentamiento de agua de alimentación a calderas  Calentamiento de agua de repuesto  Calentamiento de aire para la combustión  Calor para procesos de secado  Calentamiento de agua de uso domestico  Calefacción de edificios
  4. 4.  Generación de potencia eléctrica Eficiencia energética en las calderas. Al instalar los equipos auxiliares ahorradores de energía disponibles en las calderas, la eficiencia de estas se verá incrementada, esto permitirá llevar la eficiencia convencional de las calderas a un máximo. Sin ningún problema se podrá pasar de la eficiencia de 75 a 80 o de 82 a 86%, acercándose estos valores a las mejores prácticas industriales disponibles comercialmente y operacionalmente. Ahora bien, esto puede realizarse vía las siguientes medidas como la operación de una, el tipo de combustible usado en la operación de la caldera, la eficiencia de la caldera. Se recomienda el uso de combustibles que sean más limpios con la finalidad de disminuir el hollín, producto de la combustión, que actúa como una capa de material aislante, lo cual interfiere con la transferencia de calor. Como ejemplo de lo anterior se encuentra el diésel y combustóleo que al contener más impurezas producen un nivel alto de hollín, Además de cuidar la relación Aire combustible a mayor exceso de aire será menor la eficiencia de la caldera. Tabla relaciones Aire combustible recomendadas Combustible O2 CO2 Exceso de Aire % % % Gas Natural 2.23 10.6 10 Diésel 3.2 13.5 15 Gasóleo 3.71 9.9 17.5 Combustóleo 4.22 12.5 20 Carbón 4.5 14.5 25 Madera 5 15.5 30 La combustión con gas genera mucho menos contaminantes y es más sencillo ajustar la combustión permitiendo aminorar el impacto ambiental al reducir la emisión de partículas a la atmósfera en beneficio de la salud de quienes respiramos este aire. Otras recomendaciones que se tienen son:  La operación automática y manual de una caldera  Cambio de Quemadores  Instalación de economizador  Sistema de Purgas automáticas  Sustitución de Aislamientos Sistemas de distribución de vapor El vapor durante su paso por la tubería está sujeto a caídas de presión debidas a la fricción, más enfriamiento por disipación de calor por el material de la tubería, lo cual se asocia a la disminución de su temperatura, y por ende a la generación de condensado dentro de la tubería.
  5. 5. El sistema de trampeo es un dispositivo cuya función es eliminar el vapor condensado, adicionalmente puede eliminar el aire y otros gases no condensables, previniendo así la perdida de presión adicional por arrastre de condensado y con ello de energía. En el caso del aire y los gases no condensables, estos a su vez pueden afectar al equipo ya que causan corrosión. Se recomienda:  Sistemas de Aislamiento en tuberías  Sistema de Retorno de Condensados  Detectar y reparar fugas Un sistema que utiliza todos los equipos vistos, calderas, intercambiadores, sistemas de generación y distribución de vapor es la cogeneración la función del esquema usar al máximo en la recuperación del calor de rechazo. La implementación de esquemas de cogeneración sobre la base de las características técnicas del aprovechamiento de la energía, como las eficiencias de operación de los diferentes equipos, en conjunción con la estrategia que defina el usuario industrial, dará como resultado un mayor o menor nivel de abasto de sus requerimientos energéticos. Conclusión El uso de la energía, es que es de gran importancia y contribuye a la sustentabilidad, llevar a cabo una modernización en el sector industrial, induciendo a la industria establecida a que tome acciones técnico - operativas modificado las condiciones térmicas de sus equipos y procesos industriales, que permitan la optimización de los equipos que integran los sistemas térmicos, mejorando así su eficiencia a fin de reducir por un lado el consumo de energía e intrínsecamente la emisión de contaminantes, y finalmente mostrando el gran potencial que tiene la eficiencia energética para compensar los incrementos en la demanda y el consumo de energía. Bibliografía Moreno, T, et al, Eficiencia energética, Editorial terracota Colección sello de arena, 2012 ICA – Procobre Red de instituciones latinoamericanas cuya misión es la promoción del uso del cobre, impulsando la investigación y el desarrollo de nuevas aplicaciones y difundiendo su contribución al mejoramiento de la calidad de vida y el progreso de la sociedad. www.procobre.org

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