Eficiencia Energética en
Procesos Térmicos
Dr. Rodolfo Alberto Herrera Toledo
International Copper Association – ICA
ICA - Procobre México
• Organización líder en la Promoción del Cobre a nivel mundial
• La Red ICA lleva funcionando más de 90 años
• 50 años integrando actividades a nivel mundial
• 43 empresas miembros de nivel global
• Empresas mineras de cobre que representan 60% de la
producción mundial
• 11 de los fabricantes que utilizan el cobre y sus aleaciones más
grandes del mundo
• La Red ICA abarca casi 500 socios a nivel global
ICA – International Copper Association
31 Oficinas en 29 países en 5 continentes
Con sede en Nueva York y oficinas regionales:
• Bélgica
• Chile
• China
Procobre Brasil Procobre Chile Procobre México Procobre Perú
ICA América Latina oficinas:
International Copper Association - Procobre
Principales Iniciativas
Energía Sustentable (Eficiencia Energética y Energías Renovables)
Construcción
Salud, Ambiente y Desarrollo Sustentable
Desarrollo Tecnológico y Transferencia
Funciones de Apoyo
Comunicaciones
Inteligencia de Mercado, Datos y Cuantificación
Apoyo Técnico y de Mercado
Financiamiento (Estrategia de Ingresos)
Administración
Contenido
• Intercambiadores de calor.
• Calderas.
• Sistemas de distribución de vapor.
• Recuperación de calor.
Aviso Importante Este informe, estudio y/o su presentación fue contratado por Procobre Centro Mexicano de Promoción del cobre A.C. para su realización y presentación a Dr. Rodolfo Alberto Herrera Toledo y se ha procurado el mejor apego a obtener la información precisa y confiable posible. Sin embargo existe la posibilidad de que no sea precisa o aplicable en todos los casos por lo que se reserva a la revisión en cada caso de los temas expuestos.
Energía Térmica, Equilibrio,
Temperatura
• AGUA CALIENTE
• Temperatura < 110°C (383K)
• Generación
• Calentadores de agua de flama
• Calentadores eléctricos
• Cambiadores de calor
• Recuperadores de calor
• Calentadores solares
Leyes de la Termodinámica
• Conservación de la energía
• Dirección de los procesos térmicos
• NUNCA SE PODRÁ CONVERTIR TODO EL CALOR EN
TRABAJO ÚTIL
• CONCEPTO DE EFICIENCIA
• CONCEPTO DE IRREVERSIBILIDAD
ENEGÍA TÉRMICA
Calentamiento Conversión
a potencia
Fluidos Térmicos
Vapor
Aire
Otro
Cargas Conversión directa
MCI
TG
Cambiadores de calor
Calderas de
recuperación
Calentadores
Hornos
Conversión
de Potencia
Fotocelda
Sistema Térmico Cuenta con procesos que transfieren energía en forma de calor (flujo
térmico)
Tipos de calentamiento:
Directo Indirecto
COPYRIGHT TLV.CO LTD COPYRIGHT TLV.CO LTD
Intercambiadores de Calor
El fluido caliente pasa sobre el área de transferencia de calor del intercambiador de calor y el calor del vapor se transfiere a la sustancia que se está calentando. De esta manera, el luido caliente nunca entra en contacto directo con la sustancia que se calienta.
• Tubos coraza
• Doble tubo.
Intercambiadores de Placas
Ventajas
• Facilidad de desarmado para limpieza
• Gran transferencia de calor
• Eficiente
Desventajas
• No se puede trabajar a altas presiones (max. 300 psia)
• No se puede trabajar a altas temperaturas (max. 300ºf)
Tabla Valores representativos del coeficiente global de transferencia de calor
Combinación de fluidos U [W/m2.K]
Agua con agua 850 - 1700
Agua con aceite 110 - 350
Condensador de vapor (agua en tubos) 1000 - 6000
Condensador de amoníaco (agua en tubos) 800 - 1400
Condensador de alcohol (agua en tubos) 250 - 700
Intercambiador de calor de tubos con aletas (agua en tubos, aire en flujo cruzado)
25 - 50
2 1
2
1
T Tq UA
Tln
T
Coeficiente Global de Transferencia de
Calor
Calentador solar
Se han creado
programas de
instalación de
calentadores
solares, en zonas
con problemas de
abasto de agua, no
es recomendable
instalación los de
tubos al vacío, ante
esta problemática,
prefiera los planos,
con tubos de cobre
Calentadores de Agua Eléctricos
• La fuente de calor es sustituida por resistencias eléctricas
• El rendimiento de estos equipos debe de ser mayor al 95%
Calderas
Relación Aire Combustible (RAC)
en los Gases de Combustión
• Permite ahorros hasta de 20%
• Temperatura de los gases de combustión
¡Se logran ahorros hasta del 15%!
Combustible O2 CO2
Exceso de Aire
% % %
Gas Natural 2.23 10.6 10
Diesel 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
Balance Energético Caldera
El rendimiento de estos equipos debe de ser mayor al 90%
1. Caldera de agua caliente
2. Quemador
3. Aislamiento
4. Bomba de circulación
5. Chimenea
6. Carga del agua caliente
Medidas Recomendables
En la carga:
• Dimensionamiento adecuado de carga
• Evitar el derroche
En el equipo:
• Selección adecuada de capacidad de equipo
• Balanceo de carga adecuado entre los diferentes equipos para
que operen arriba del 80% de carga.
• Quemador adecuado a la operación y el combustible
• Equipo de control seguidor de carga
• Aislamiento adecuado
Medidas Recomendables
En la operación:
1. Ajuste del exceso de aire
2. Reducir la temperatura de salida de los gases
3. Realizar periódicamente el balance de energía
4. Tener monitoreo continuo de las condiciones operativas
5. Aislamiento en condiciones adecuadas
6. Procedimientos de mantenimiento conforme recomendaciones del
fabricante
• Purgas
¡La disminución del flujo de purgas a valores estándar y la recuperación del calor en las
purgas permite un ahorro de hasta 5% !
Recuperación de Calor en Calderas
Economizador (precalentador de agua)
¡Permite ahorros desde 2% hasta 12%
Precalentador de aire
¡Se llegan a obtener ahorros de
hasta el 5%
Recuperación de Calor
Se debe considerar:
▪ La disponibilidad temporal del calor de desecho
▪ La cantidad de calor de desecho
▪ La calidad o temperatura del calor de desecho
¡La recuperación de calor debe ser económicamente factible!
Recuperación calor
residual
100%
Combustible
primario
Motor de gas
Pérdida del 15% en humo
Pérdida del 5% de radiación (Basado en un típico motor de
gas)
50% Calor 30% Energía eléctrica
generador Intercambio calor motor
Balance Energético Motor de Combustión
Combustible primario
100 unidades de energía
Combustible primario
56 unidades de energía
156 unidades de energía
Central de Generación
Transmisión
Eficiencia: 30%
Caldera
Eficiencia: 80%
Cogeneración
con turbina de gas
y HRSG
Combustible primario
100 unidades de energía
%48156
75
56100
4530
%75
100
75
100
4530
30 unidades de energía
Eficiencia
45 unidades de calor
Cogeneración
Natural gas
Gas turbine
HRSG
Steam turbine
Heat condensers District heating
Power
Flue gas Gas
Air
Rya CHP - layout Net power output: 265 MW
District heating duty: 295 MW
Fuel efficiency: 93%
Microturbinas
Agua Caliente vs Vapor
• Si la superficie de trasferencia de calor del intercambiador de calor son idénticas….
• Los tiempos de calentamiento pueden ser acortados si se calienta con vapor
• Si se rediseña el intercambiador de calor para hacer la misma cantidad de trabajo….
• Si utilizamos vapor para el calentamiento, el diseño puede incorporar una menor superficie de transferencia de calor.
• Algunas de las aplicaciones típicas del vapor para las industrias son:
• Esterilización/Calentamiento
• Impulso/Movimiento
• Motriz
• Atomización
• Limpieza
• Hidratación
• Humidificación
http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/principal-applications-for-steam.html
Vapor para Calentamiento
• En un intercambiador de calor, el vapor eleva la temperatura del producto por transferencia de calor, el cual después se convierte en condensado y es descargado a través de una trampa de vapor.*
Vapor de Presión Positiva
El vapor generalmente es producido y distribuido en una presión positiva. En la mayoría de los casos, esto significa que es suministrado a los equipos en presiones mayores a 0 kPag (0 psig) y a temperaturas mayores de 100°C (212°F).
*http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/principal-applications-for-steam.html
Vapor Húmedo y Seco
El vapor saturado es utilizado como la fuente de calentamiento para fluido de proceso en intercambiadores de calor, reactores, reboilers, precalentadores de aire de combustión, y otros tipos de equipos de transferencia de calor.
Vapor sobrecalentado entre 200 a 800°C (392 - 1472°F) a presión atmosférica es particularmente fácil de manejar, y es usado en los hornos domésticos de vapor vistos hoy en dia en el mercado.
Vapor al Vacío
• El uso de vapor para el
calentamiento a temperaturas por
debajo de 100°C (212°F),
tradicionalmente el rango de
temperatura en el cual se utiliza
agua caliente, ha crecido
rápidamente en los últimos años.
Vapor para Impulso/Movimiento
El vapor se usa regularmente para propulsión (así como fuerza motriz) en aplicaciones tales como turbinas de vapor.
La turbina de vapor es un equipo esencial para la generación de electricidad en plantas termoeléctricas.
Vapor como Fluido Motriz
Para mover flujos de liquido o gas en una tubería. Los eyectores de vapor son usados para crear el vacío en equipos de proceso tales como las torres de destilación que son utilizadas para purificar y separar flujos de procesos. Los eyectores también pueden ser utilizados para la remoción continua del aire de los condensadores de superficie, esto para mantener una presión de vacío deseada en las turbinas de condensación (vacío).
Vapor para Atomización
La atomización de vapor es un proceso en donde el vapor es usado para separar mecánicamente un fluido. Por ejemplo, en algunos quemadores, el vapor es inyectado en el combustible para maximizar la eficiencia de combustión y minimizar la producción de hidrocarbonos (hollín).
Vapor para Limpieza
• El vapor es usado para limpiar un gran rango de superficies. Un ejemplo de
la industria es el uso del vapor en los sopladores de hollín. Las calderas que usan carbón o petróleo como fuente de combustible deben estar equipadas con sopladores de hollín para una limpieza cíclica de las paredes del horno y remover los depósitos de la combustión de las superficies de convención para mantener la eficiencia, capacidad y confiabilidad de la caldera.
Aislamiento Espesor óptimo de aislamiento
HORNOS Un horno es un compartimento cerrado que se utiliza para calentar, cocer, fundir o secar una carga.
La energía calorífica utilizada para alimentar un horno puede ser suministrada directamente por combustión, radiación (luz solar), o indirectamente por medio de electricidad (horno eléctrico) u ondas electromagnéticas (microondas).
HORNOS
Medidas recomendables de uso eficiente de energía
En la carga:
1. Dimensionamiento adecuado de carga
2. Evitar el derroche
En el equipo:
1. Selección adecuada de capacidad de equipo
2. Balanceo de carga adecuado entre los diferentes equipos para que operen arriba del 80% de carga.
3. Quemador adecuado a la operación y el combustible
4. Equipo de control seguidor de carga
5. Aislamiento adecuado
HORNOS
En la operación:
• Ajuste del exceso de aire
• Reducir la temperatura de salida de los gases
• Utilizar recuperadores de calor de los gases
• Buscar combustión completa
• Realizar periódicamente el balance de energía
• Tener monitoreo continuo de las condiciones operativas
• Aislamiento en condiciones adecuadas
• Procedimientos de mantenimiento conforme recomendaciones del fabricante
HORNO SOLAR
• Un horno solar es un sistema que acapara la energía calorífica de la luz del sol y si se requiere, la conserva. Tienen diversas aplicaciones, pero la más conocida es su utilidad para cocinar. Dependiendo del tipo, uso y tamaño se pueden conseguir temperaturas muy elevadas.
HORNO SOLAR
Existen actualmente dos sistemas:
• De concentración, que como su propio nombre indica concentra los rayos del sol en un punto. Si su aplicación es la cocina, en dicho punto se colocaría la olla, pero este sistema también se aplica en la solar termoeléctrica (consiguiendo temperaturas muy elevadas, desde 400ºC hasta 750ºC, y en ocasiones incluso más), y de forma parecida en la solar fotovoltaica de concentración.
• Horno o Caja, que acapara la radiación para calentar un volumen de aire aislado del exterior (como un horno convencional pero utilizando el sol como fuente de energía).
¡GRACIAS!
Webinar presentado por: Dr. Rodolfo Alberto Herrera Toledo [email protected]
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• www.procobre.org • Marycarmen Ruiz • [email protected] • Síganos en redes sociales
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