Uso_eficiente_energa_en_sistemas_termicos

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USO EFICIENTE DE LA ENERGÍA EN SISTEMAS TÉRMICOS
Autor:
ALAN HILL B.
INSTITUTO DE ENERGÍA Y TERMODINÁMICA
UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA
Un proyecto de:
PROYECTO USO EFICIENTE Y RACIONAL DE ENERGÍA
EN EL MARCO DEL PROGRAMA DE PRODUCCIÓN MÁS LIMPIA
DEL ÁREA METROPOLITANA EN EL VALLE DE ABURRÁ
Ejecuta unión temporal:
Uso eficiente y racional de energía
3
LIBRO 6 – USO EFICIENTE DE LA ENERGÍA EN SISTEMAS TÉRMICOS
Una publicación de
Área Metropolitana del Valle de Aburrá
RICARDO SMITH QUINTERO
Director
MARÍA DEL PILAR RESTREPO MESA
Subdirectora Ambiental
Autor
Alan Hill B. I.Q., MSc
Instituto de Energía y Termondinámica
Universidad Pontificia Bolivariana
Ejecuta
Universidad Nacional de Colombia
Universidad Pontificia Bolivariana
Universidad de Antioquia
EQUIPO DE TRABAJO
Dirección del Proyecto
Farid Chejne Janna, I.M., Ph.D
Coordinación del Proyecto
Universidad Nacional de Colombia: Sara Catalina Cárdenas Castillo, I.Q.
Universidad Pontificia Bolivariana: Katerina María Sánchez Parra, I.Q, MSc.
Universidad de Antioquia: Andrés Amell Arrieta, I.M., MSc.
Co-autores
ANA CECILIA ESCUDERO A., I.Q., MSc.
SANTIAGO BETANCUR MESA, I.M.
CAMILO MONTOYA Z. , I.M.
Interventoría
María Helena Gómez Gallo
Profesional Universitario Área Metropolitana del Valle de Aburrá
Gustavo Londoño Gaviria
Profesional Universitario Área Metropolitana del Valle de Aburrá
Coordinación de la Publicación
Oficina Asesora de Comunicaciones del Área Metropolitana del Valle de Aburrá
Fotografía portada
Jhon Fredy Vélez Jaramillo
Impresión
Centro de Publicaciones
Universidad Nacional de Colombia
Sede Medellín
ISBN
978-958-44-1383-3
Primera Edición
Impreso en Medellín, Colombia - 2007
Está prohibida la reproducción parcial o total de esta publicación y mucho menos para fines
comerciales. Para utilizar información contenida en ella se debe citar fuente.
Uso eficiente y racional de energía
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Contenido
Introducción
9
1.
1.1.
1.2.
Conceptos básicos sobre energía térmica
Marco conceptual general
Definición operacional de términos
11
11
16
2.
Disciplinas asociadas con la eficiencia energética en sistemas
térmicos
Termodinámica
Transferencia de calor
La fisicoquímica
La mecánica de los fluidos
19
19
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2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
3.
3.1.
3.2.
3.2.1.
3.2.2.
3.2.3.
3.2.4.
3.2.5.
3.3.
3.3.1.
3.3.2.
Uso racional y eficiente de la energía en sistemas térmicos
Generalidades
Metodologías para la racionalización del consumo energético en
servicios industriales
Sistema de vapor de agua
Sistema de aire comprimido
Sistema de agua de enfriamiento
Sistema de aguas
Sistemas de refrigeración, aire acondicionado y bombas de calor
Metodologías para la racionalización del consumo energético en
equipos especiales
Hornos
Secadores
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32
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53
57
57
60
Bibliografía
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Anexos
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Ejemplo 1: Aire comprimido
Ejemplo 2: Aire comprimido
Ejemplo 3: Vapor
Ejemplo 4: Vapor
Ejemplo 5: Refrigeración
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67
69
70
72
Lista de Tablas
Tabla 1. Equipos utilizados para los procesos termodinámicos comunes.
Tabla 2. Especificaciones para el ejemplo (definición operacional de
términos)
Tabla 3. Equipos y sistemas comúnmente empleados (fuentes secundarias)
20
21
33
Uso eficiente y racional de energía
Tabla 4. Rendimiento y eficiencia media en calderas
Tabla 5. Características de los combustibles empleados
Tabla 6. Cantidad de exceso de aire de los gases a partir del porcentaje de
oxígeno
Tabla 7. Pérdidas de vapor por fugas a través de orificios (kg/h)
Tabla 8. Consumo específico nominal en compresores.
Tabla 9. Pérdidas de aire comprimido por fugas a través de orificios (sl/s)
Tabla 10. Pérdidas en bombeo de agua y potencia requerida por cada 100 m
lineales de ducto
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38
39
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Lista de Figuras
Figura 1.
Figura 2.
Figura 3.
Figura 4.
Figura 5.
Figura 6.
Energía espontánea en la tierra
Energía cuasiespontánea en la tierra
Mecanismo de conducción
Mecanismo de convección
Mecanismo de radiación
Coeficiente global de transferencia de calor total entre un sólido
y aire a temperatura ambiente
Figura 7. Porcentajes de disipación de calor por los mecanismos de
convección y radiación
Figura 8. Factor de corrección dada velocidad del viento
Figura 9. Sistema específico
Figura 10. Requisitos del sistema específico
Figura 11. Sistema de vapor
Figura 12. Flujos en una caldera
Figura 13. Pérdidas en gases en función del exceso de aire y la temperatura
Figura 14. Porcentaje de pérdidas por radiación y convección en calderas
Figura 15. Pérdidas de calor en tubería de 1 pulgada sin aislar y con
diferentes espesores de aislamiento
Figura 16. Pérdidas de calor en tubería de 2 pulgadas sin aislar y con
diferentes espesores de aislamiento
Figura 17. Pérdidas de calor en tubería de 3 pulgadas sin aislar y con
diferentes espesores de aislamiento
Figura 18. Potencia hidráulica en 100 m de longitud equivalente
Figura 19. Longitudes equivalentes de accesorios comunes
Figura 20. Potencia requerida con y sin variador de velocidad
Figura 21. Sistema de refrigeración
Figura 22. Flujos en un evaporador
Figura 23. Porcentaje del rendimiento en función del porcentaje de carga
en hornos
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7
USO EFICIENTE Y RACIONAL DE LA ENERGÍA: UNA ALTERNATIVA
PARA MEJORAR LA COMPETITIVIDAD Y LA PRODUCTIVIDAD DE
LAS EMPRESAS DEL VALLE DE ABURRÁ
El Área Metropolitana del Valle de Aburrá continúa en la labor de asesorar y acompañar
a los diversos sectores económicos bajo su jurisdicción, a través de programas que les
permita a las organizaciones industriales, comerciales y de servicios, fortalecerse en
términos de productividad, competitividad y desempeño ambiental, con beneficios para
las empresas y para la región.
En esta oportunidad la Entidad da continuidad a esfuerzos anteriores en materia de
Producción Más Limpia, con un proyecto que se concentra en un tema identificado como
prioritario: La energía. Se seleccionó un grupo con amplia trayectoria en la materia,
una alianza de tres reconocidas instituciones educativas: la Universidad Nacional de
Colombia, la Universidad Pontificia Bolivariana y la Universidad de Antioquia, las cuales
conforman una Unión Temporal para la ejecución y operación del proyecto “Uso Eficiente
y Racional de Energía para empresas que hacen parte de Programa de Producción Más
Limpia que viene liderando el Área Metropolitana del Valle de Aburrá”.
La energía, en cualquiera de sus formas, constituye un eslabón estratégico para la
consolidación del desarrollo económico del país, así como para lograr un mejor nivel de
vida. También, el uso de la energía eléctrica o térmica representa uno de los costos que
tiene mayor incidencia en los procesos productivos de las industrias, en la fabricación de
un producto o en la prestación de un servicio determinado Es por ello que los empresarios
deben optimizarla, evitar desperdicios en su uso y propender por una eficiente gestión y
administración de este recurso, acciones que implican cambios en la forma de pensar y
actuar, de aquellas personas que están directamente relacionadas con el manejo de los
procesos consumidores de energía.
Es frecuente encontrar que en las empresas no se mide el consumo de energía relacionado
con el producto y se carece de indicadores que permitan valorar el costo por unidad de
producción o servicio; adicionalmente, no se controla el tipo de potencia de una máquina
y su tiempo de operación, en relación con el valor del consumo energético. Lo mismo
sucede con el uso de la energía térmica, no se determina el consumo de combustible,
sus características, su eficiencia, la cantidad requerida y los impactos generados, entre
otras variables.
La eficiencia en el uso de la energía, elemento imprescindible para la reducción de los
costos de producción en las empresas, puede ser lograda por dos vías: Una costosa
y fácil, a través de la implementación de tecnologías productivas de bajo consumo; y
otra económica y difícil, pues se deben realizar cambios de hábitos en el uso final de
la energía, con la tecnología existente, lo que implica transformaciones en la forma de
pensar y actuar de aquellas personas que están directamente relacionadas con el manejo
de los procesos que consumen energía.
Parece lógico agotar primero todos los potenciales de reducción de costos de energéticos
que ofrece el segundo camino, a propósito de la situación actual de alto nivel de
competitividad por precio y calidad del producto a la que están sometidas las empresas,
antes de comenzar a invertir significativamente. Pero es importante tener en cuenta
que no se logrará ningún avance, sin consolidar un sistema que garantice el óptimo
aprovechamiento y la evaluación real de la recuperación del dinero invertido.
Uso eficiente y racional de energía
Es un hecho que muchos de los problemas asociados con la energía en las empresas
no son sólo de índole técnica, también se deben al desconocimiento y a la estructura
creada para coordinar los esfuerzos y obtener un sistema sostenible de su uso racional.
En general una pequeña o mediana empresa no maneja y controla sus consumos
energéticos, no conoce a fondo la relación entre energía consumida y producción (así
como energía no asociada a la producción).
De ahí el interés del Área Metropolitana del Valle de Aburrá en motivar la práctica de Uso
Racional de Energía, partiendo de acciones como la selección de la fuente energética,
para optimizar su producción, transformación, transporte, distribución y consumo,
incluyendo su reutilización cuando sea posible. De esta manera, se constituye en una
medida efectiva para propiciar el crecimiento económico, el desarrollo social y, por tanto,
el bienestar nacional, contribuyendo a la sostenibilidad del país.
En este sentido, el Congreso de la República, mediante la expedición de la Ley 697 de
2001, declaró al Uso Racional y Eficiente de la Energía – URE – como asunto de interés
social, público y de conveniencia nacional. Con la promulgación de esta Ley se sentaron
las bases jurídicas necesarias para que el Estado pueda organizar, fomentar e impulsar
el criterio URE y promover la utilización de las energías alternativas de manera efectiva
en Colombia.
Igualmente, se cuenta con el Decreto 3683 de 2003, por medio del cual se reglamenta
la Ley 697 de 2001 y se crea una Comisión Intersectorial. El objetivo del Decreto es
reglamentar el uso racional y eficiente de la energía, para asegurar el abastecimiento
energético pleno y oportuno, la competitividad del mercado energético colombiano, la
protección al consumidor y la promoción de fuentes no convencionales de energía, dentro
del marco del desarrollo sostenible y respetando la normatividad vigente de ambiente y
los recursos naturales renovables.
Para que la cultura URE quede definitivamente instaurada en el país, se requiere que
el mercado de servicios energéticos comience a funcionar, incluyendo tanto los actores
de oferta (empresas de consultoría, universidades) como de la demanda (sectores
productivo, financiero), creándose así un nuevo segmento de mercado energético
en Colombia. Justamente a esta iniciativa le apuesta la Entidad a través del proyecto
de asesoría y acompañamiento a las empresas que hacen parte de los convenios de
Producción más Limpia.
Esta publicación hace parte de un conjunto de 10 libros en temas como: ¿A dónde va a
caer este globo?, Energía, economía y medio ambiente. Administración de los recursos
energéticos; Uso eficiente de la energía: Conceptos termodinámicos básicos; Manejo
de combustibles, Uso eficiente de a energía en sistemas térmicos, Uso eficiente de la
energía eléctrica, Tecnologías de conversión y recuperación de la energía: convencionales
y nuevas tendencias; Los sistemas energéticos industriales y su relación con la salud
ocupacional y, Análisis energético industrial del Valle de Aburrá.
Este material es una herramienta que orienta y favorece la aplicación de la Producción Más
Limpia, una alternativa que va en la dirección de la autorregulación y el entendimiento de
la dimensión ambiental como un factor que incide de manera positiva en la competitividad
de las empresas.
RICARDO SMITH QUINTERO
Director
9
Introducción
La dinámica del mundo actual supone que el hombre está abocado a continuar
transformando energía de las diferentes fuentes primarias, en trabajo o calor,
entendiéndose como la única fuente primaria de energía, la pérdida de masa
del sol en virtud de las reacciones nucleares que en él ocurren (puesto que
la energía contenida en las diferentes fuentes fósiles surgieron a partir de
ésta y se almacenaron en la corteza terrestre). Esta dinámica, además,
exige dos consideraciones importantes: una, realizar un uso racional de la
energía y, otra, obtener tecnologías de transformación directa de la energía
proveniente del espectro solar, en energía mecánica (o eléctrica) limpia y
en energía calórica de forma selectiva. Actualmente existen superficies que
permiten, dada su geometría, concentrar las ondas provenientes del sol con
fines calóricos. El reto radica en concentrarlas con el fin de obtener trabajo en
celdas y, por consiguiente, minimizar el área necesaria para lograrlo.
El mundo ideal se debe comprender como una máquina que recibe calor del
sol y lo transforma en energía útil (mecánica o su equivalente eléctrica) la
cual posteriormente se convierte, indefectiblemente, de nuevo en calor. Con
base en esta consideración debe procurarse que el agua y el aire, los cuales
son agentes comúnmente empleados con el objeto de transportar calor o
trabajo y moléculas indispensables en el diario vivir de los organismos, no
intervengan en los procesos de transformación (exceptuando los ciclos
naturales y algunos forzados sin deteriorar la calidad de estas sustancias)
sino que éstas se limiten a su función vital. Debe tenerse presente que el
agua, el aire y las ondas emitidas por la corteza terrestre, no tienen fronteras
y por consiguiente son patrimonio del hábitat que rodea todas las especies.
La energía natural es aquella que se presenta de forma espontánea en el
planeta y básicamente está representada por el ciclo hidrológico, por los
vientos y por el espectro solar. El reto futuro radica en transformar energía
potencial de los embalses, energía cinética de los vientos y energía del
espectro solar en energía eléctrica. Con la energía eléctrica se puede obtener
hidrógeno y oxígeno del agua. El hidrógeno se puede emplear, en celdas de
combustión, reaccionando con el oxígeno del aire para obtener de nuevo agua
y energía eléctrica con el objeto de sustituir los hidrocarburos en el sector del
transporte (vehículos). El automóvil de electricidad debe operar con celdas
de combustión y no con acumuladores recargables (pilas de cadmio) puesto
que en un futuro, cuando éstas terminan su vida útil, es complejo determinar
su disposición final. Tampoco deben operar con energía nuclear, puesto que
Uso eficiente y racional de energía
la disposición final de los residuos y la operación segura de este tipo de
fuente son complejas. El hidrógeno también se puede emplear, en los otros
sectores (industrial, terciario, residencial, etc.) en calderas y hornos, con el fin
de generar energía térmica (o refrigeración) con un mínimo detrimento en los
componentes del hábitat. Para estas aplicaciones debe procurarse minimizar
el efecto invernadero ocasionado por el vapor de agua.
La energía, en sus diferentes formas, al igual que el aire y el agua, es un
recurso indispensable para la vida. ¿Cómo concebir el mundo sin movimiento?
A través de la historia se observa la evolución de las formas o sistemas de
transformación y utilización de la energía. Ejemplos de lo anterior son la
obtención de energía térmica a partir de la energía mecánica aplicada a dos
elementos en contacto (fricción), el descubrimiento del fuego en la antigüedad
y la generación de energía eléctrica, a partir de la energía cinética mediante
un campo magnético.
En el mundo de hoy, donde el orden económico y tecnológico mundial giran
en torno a la utilización eficiente y racional de los recursos, donde el aire
y el agua, agentes más empleados en los procesos de transformación,
distribución y utilización de la energía, se están deteriorando paulatinamente,
se requiere profundizar y conocer de forma integral y global el tema del manejo
de la energía, entendido como un tema relevante dentro del contexto del
macroconcepto del manejo limpio de los recursos, tanto para la producción de
bienes y servicios (Producción Más Limpia) como para otro tipo de sectores
como lo son, por ejemplo, el residencial y el oficial.
Las transformaciones en el clima y en el entorno en general, presuponen
grandes retos en lo que a la generación y utilización de la energía se
refiere. Para el siglo XXII se espera el desarrollo de tecnologías limpias y
eficientes que permitan al hombre vivir en un hábitat menos deteriorado y
más confortable.
Actualmente la mayor parte de la energía, en su forma primaria, se genera a
partir de combustibles como el carbón, hidrocarburos derivados del petróleo y
el gas natural, de la hidroelectricidad y, en menor escala, a partir de elementos
radiactivos. Lo anterior indica que las tendencias en la economía mundial y
local están estrechamente relacionadas con las técnicas del manejo de la
energía.
En el presente libro se parte de establecer una reflexión en torno a la energía,
de la forma como se obtiene y se transforma. Posteriormente se presentan las
definiciones de términos empleados y una introducción a las disciplinas que
abordan la temática. El documento desarrolla a continuación las metodologías
de conservación de energía (se presentan aspectos básicos con el objeto
de establecer economías de forma aproximada e inicial) en los sistemas de
vapor, aire comprimido, aguas de enfriamiento, aguas, refrigeración, aire
acondicionado y en algunos equipos en particular como lo son los hornos
y los secaderos. Finalmente, el tema se ilustra en los anexos con algunos
ejemplos y su solución.
11
Conceptos básicos sobre energía térmica
1.1. Marco conceptual general
L
a energía, en términos generales, se entiende como la capacidad de efectuar
un trabajo (energía mecánica), en donde el trabajo se define como el producto
entre la fuerza y la distancia. Por ejemplo, levantar un peso de una cota baja
a una más alta. A este tipo de energía se le asigna una alta calidad, puesto que el
deterioro de los alrededores (ambiente) es prácticamente nulo. Sin embargo, la
energía no puede observarse únicamente desde esta óptica. El calor, el cual es la
forma “degradada” de la energía, es de vital importancia para el hombre y es, en
términos globales, la única fuente con la cual se puede generar trabajo en forma
de energía mecánica y energía eléctrica (salvo algunos casos excepcionales como
las celdas de combustión para la generación directa de energía eléctrica a partir de
la energía química, la radiación solar en determinadas longitudes de onda para la
generación fotovoltaica y algunos procesos de tipo biológico).
El sol genera energía en virtud de reacciones nucleares, perdiendo parte de su masa,
en un amplio espectro en el cual está presente la energía térmica -o calórica- (manifiesta
por el cambio de temperatura de una sustancia o por el cambio del estado en el cual
ésta se encuentra) para evaporar el agua que surte las hidroeléctricas y generar altas
y bajas presiones que originan el movimiento de los vientos. Es importante anotar que
las centrales nucleares donde se utiliza masa radiactiva de la corteza terrestre o de los
océanos, al igual que las centrales de generación térmica que emplean combustibles
fósiles, deben generar primero energía térmica para, posteriormente, generar otro tipo
de energía.
En la figura 1 se presenta, de forma global, las fuentes primarias de energía que tienen
lugar de forma espontánea y continua en la naturaleza.
Figura 1. Energía espontánea en la tierra
Uso eficiente y racional de energía
En la figura 2 se presenta un ejemplo del esquema de las energías cuasiespontáneas que
el hombre ha empleado. El término cuasiespontáneo se refiere a la necesidad de mezclar
un combustible con el oxigeno para lo cual se requiere un trabajo y adicionalmente se
requiere que las condiciones calóricas originen la liberación de la energía.
Figura 2. Energía cuasiespontánea en la tierra
El hombre descubrió el fuego, según relata la historia, a partir de la energía mecánica que
le suministraron sus músculos para ejercer la acción friccionante entre dos elementos.
Comenzó una reacción química auto sostenible. Posteriormente, encontró ciertas
sustancias o compuestos que “generaban” energía calórica (liberaban su contenido
energético), con un menor esfuerzo mecánico dada la cantidad del contenido energético
de la misma. Este tipo de fuentes se conoce como combustibles fósiles (carbón, petróleo
y gas natural) los cuales están presentes en la naturaleza y se formaron a partir de la
descomposición de la materia orgánica en la superficie terrestre y en los océanos durante
millones de años. Alrededor del 80% de la energía empleada actualmente en el mundo
proviene de los combustibles fósiles; el 15% proviene de la generación hidroeléctrica, el
4 % de centrales nucleares y el 1 % restante solar (fotovoltaica y térmica) y eólica.
De lo anterior se puede establecer que la energía térmica es para la humanidad la
principal fuente secundaria. En el transporte, los vehículos utilizan fuentes fósiles para
convertirlas en calor y en trabajo mecánico; en el hogar se utilizan para efectos de cocción,
calefacción, calentamiento de agua; en las industrias para la elaboración de productos,
el secado, etc. En síntesis, el hombre actual es dependiente de las fuentes primarias
(energía nuclear y combustibles fósiles) y de la cantidad y calidad de su transformación,
con el objeto de utilizarla finalmente en forma de calor o trabajo mecánico.
El problema al cual está enfrentada actualmente la humanidad radica en establecer el
menor número de transformaciones, de forma eficiente y ecológica para producir calor
o trabajo de forma selectiva. El calor y el trabajo se generan de forma espontánea
en la transformación de masa en energía y en la combustión de las fuentes fósiles y
se transportan en el espectro electromagnético. Sin embargo, el trabajo requiere de
dispositivos manufacturados (turbinas, celdas fotovoltaicas, ruedas Pelton, molinos de
viento, etc.) para utilizarse como lo requieren las personas y los insumos que se elaboran.
Por ejemplo, el calor contenido en el espectro permite de forma directa evaporar agua
para posteriormente llenar embalses, establecer caídas de agua, formar corrientes
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de aire (vientos) que poseen energía cinética en virtud de su movimiento, corrientes
marinas, entre otras. Sin embargo, la generación espontánea de trabajo de la naturaleza
no es directamente aplicable a las necesidades de desplazamiento y elaboración de
materiales del mundo moderno, exceptuando las transformaciones de tipo biológico que
se presentan en la naturaleza. Con base en lo anterior puede afirmarse que, de acuerdo
con el tipo de transformación, el trabajo y el calor pueden ser fuentes secundarias,
terciarias o cuaternarias, dependiendo del camino y la tecnología para obtenerlos.
La fotosíntesis se caracteriza por descomponer el bióxido de carbono presente en la
atmósfera, empleando una fracción de la energía proveniente del espectro solar de forma
prácticamente isotérmica, transformándola en energía química. La naturaleza es sabia.
A partir de ella se forman los cultivos dendroenergéticos (los bosques crecen de forma
natural).
La energía química liberada al producirse agua a partir de la combustión del hidrógeno en
la actualidad es una energía cuaternaria puesto que, este gas, no se puede manufacturar
sino con calor o electricidad. La fotólisis puede ser un tema de interés en el cual se obtiene
hidrógeno directamente a partir del espectro electromagnético de forma isotérmica.
La energía calórica proveniente de los rayos solares también puede transferirse de una
forma eficiente a algún fluido con el objeto de calentar el mismo y emplear este para otros
fines útiles para el hombre como el calentamiento de agua y la refrigeración, empleando
ciclos termodinámicos con fluidos apropiados.
La importancia que tiene el concepto trabajo, radica termodinámicamente en que este
se puede convertir, prácticamente en su totalidad, en energía térmica, lo cual no ocurre
en el caso contrario. Sin embargo, el hombre a través de la historia ha necesitado la
energía térmica, no sólo para generar electricidad y energía mecánica, sino también para
su supervivencia y confort, por la necesidad de sostener su temperatura corporal. Con el
empleo de la energía térmica y mecánica, el hombre aprendió, por ejemplo, a preparar
el alimento, a conservarlo con el objeto de asegurar reservas alimentarias por un tiempo
prolongado refrigerando las mismas y a salvaguardarse del clima, de acuerdo con la
época del año, con el objeto de no descompensar su balance térmico.
En la naturaleza también se produce gas combustible (biogás) de forma espontánea,
mediante un proceso de descomposición bacteriana, el cual se emplea de forma análoga
a los combustibles fósiles. No obstante, en muchos casos, el biogás se convierte en un gas
manufacturado, dado que requiere el empleo de equipos para su obtención, recolección,
limpieza y su posterior uso en la generación de energía eléctrica o térmica. Ejemplos
de otro tipo de combustibles manufacturados son, de un lado, el gas proveniente del
proceso de oxidación parcial de los combustibles y de otro, el hidrógeno el cual puede
obtenerse (hasta el momento) vía electrólisis o como un subproducto de la gasificación o
la pirólisis de fuentes fósiles.
Con base en lo anterior puede inferirse que, en las circunstancias actuales, es
ecológicamente inadmisible generar calor a partir de una energía de alta calidad como lo
son el trabajo mecánico o la energía eléctrica puesto que éstas son energías secundarias,
no se encuentran de forma espontánea en la naturaleza y provienen casi en un cien por
ciento de la energía calórica. También puede inferirse que la energía no solamente es la
capacidad de realizar un trabajo (definición inclinada hacia los fenómenos que conciernen
Uso eficiente y racional de energía
al movimiento de masa), sino que es el agente que permite realizar cambios en los
sistemas. En general, la energía es una cantidad requerida para realizar un cambio, una
manifestación cuantificable de la naturaleza. Su efecto se traduce en producir un cambio
bien sea espacial, en la naturaleza o en el estado de las sustancias.
Con base en lo anterior puede establecerse que la energía proveniente de cualquier
fuente o sistema de transformación, no sólo tiene como objeto final el uso de la energía en
forma de trabajo (equivalente a energía eléctrica) sino también en energía calórica para
diferentes aplicaciones a nivel comercial, industrial y residencial. El paradigma radica en
establecer cuál energía pierde calidad. Finalmente, la energía mecánica y la eléctrica se
convierten en calor o en energía de formación de sustancias (energía que con el paso del
tiempo se transforma en calor).
La energía proveniente del sol se considera actualmente como inagotable y es la principal
fuente energética de la tierra. Otros tipos de energía son: la energía térmica, normalmente
relacionada con el movimiento de los átomos y las moléculas (aunque también está
presente en el espectro lo que nos obliga a preguntarnos si tendrá sentido la energía
sin el concepto de masa o cantidad de materia), la cual se asocia con la temperatura;
la energía potencial se asemeja con la capacidad de liberarse para transformarse en
calor o trabajo (energía química contenida en la estructura de las sustancias, energía
asociada a la masa o a la unidad de carga en virtud de su posición bajo la influencia de
un campo gravitatorio o eléctrico, cualquier tipo de energía almacenada en resortes, etc.)
y la energía cinética que se define como la energía que posee un cuerpo en virtud de su
movimiento.
Desde antes del siglo pasado existen cuatro principios básicos clásicos, los cuales rigen
la dinámica de la energía: las leyes de la conservación de la masa, la conservación de la
energía, la conservación de la carga (electrones) y la segunda ley de la termodinámica
que establece la pérdida de la calidad de la energía y la direccionalidad de su flujo.
Adicionalmente, en los principios del siglo pasado se formuló la ley que determina que la
masa es un estado de la energía (en potencia) y que ella puede convertirse en energía
(¿será un proceso totalmente irreversible?, ¿la energía podrá convertirse en masa?). La
masa y la energía del universo son constantes (¿o su suma?).
Los tres primeros principios clásicos establecen que la cantidad, sea esta de masa,
energía o carga, que ingresa a un espacio (o sistema objeto de estudio) es equivalente a
la suma de la cantidad que sale y que se acumula, para un mismo período de tiempo. El
cuarto principio clásico establece que el sistema siempre pierde la capacidad de realizar
un trabajo. Es importante anotar que estas leyes son independientes; sin embargo, las
variables que intervienen en cada una de ellas son las mismas y dada la sinergia existente
entre ellas, un cambio en alguna afecta a las demás. (Por ejemplo, se cumple que los
kilos que entran son los mismos que salen más los que permanecen en inventario)
Exceptuando el caso particular de las reacciones nucleares, donde la masa se transforma
en energía, el balance se cumple:
Entra = Sale + Acumula
Nótese que el período de tiempo es fundamental en la anterior ecuación. Si la potencia
de suministro (razón entre cantidad que entra/unidad de tiempo) es mayor que la
15
demanda (razón de salida), en el sistema existe una acumulación (un inventario). Si la
demanda supera el suministro, necesariamente la cantidad acumulada se reduce. Si no
existe cantidad acumulada y la demanda supera el suministro ¿qué se puede hacer?
En términos de masa nada, en términos de energía secundaria, bajar su calidad para
satisfacer a medias la demanda sin producir el mismo efecto esperado, llegando hasta el
punto de ejercer un mínimo o ningún efecto. La Energía, al igual que la masa y la carga,
son agentes causa-efecto y no se crean ni se destruyen.
Existen básicamente cinco disciplinas que permiten establecer relaciones y cuantificar las
cantidades necesarias para realzar intercambios y transformaciones relacionadas con la
energía. 1. La Termodinámica que estudia las cantidades de calor, de masa (o volumen
ocupado por la masa) con contenido energético y de trabajo, susceptibles a transformarse
o a transportarse; 2. la Transferencia de Calor (enmarcada dentro de una disciplina más
extensa denominada fenómenos del transporte, la cual incluye otras disciplinas como
la denominada transferencia de masa) encargada del estudio de los mecanismos de
transferencia de la energía térmica, permitiendo calcular las cantidades del medio
material necesario y la distribución geométrica del mismo para llevar a cabo procesos
de intercambio de calor; 3. la Mecánica de los Fluidos que relaciona dimensiones para
establecer los cambios debidos a la interacción dinámica de los fluidos y permite calcular
la dimensión espacial y las cantidades de material requeridos para transformar el calor en
trabajo (o viceversa); 4. la Fisicoquímica que se encarga de estudiar el comportamiento
de las propiedades de los sistemas heterogéneos y 5. la Resistencia de los Materiales que
permite establecer si los materiales requeridos para efectuar los intercambios resisten los
esfuerzos a los cuales se someten.
Es importante anotar que la mecánica de los fluidos, la transferencia de calor y la
resistencia de los materiales se apoyan totalmente en las leyes de la termodinámica. Un
ejemplo cotidiano podría ser el funcionamiento de una olla a presión en la cual se desea
hervir agua, en este ejemplo la termodinámica permite establecer la cantidad de agua
a hervir, las pérdidas por evaporación de acuerdo con el alivio de la presión interna y la
atmosférica, el volumen del recipiente, el tiempo requerido y el calor -o trabajo- necesario
para el efecto (si el proceso se realiza en una estufa de gas o eléctrica cuantifica las
cantidades de recursos requeridos), la transferencia de calor permite calcular y establecer
su distribución espacial óptima y con base en el material del recipiente y sus dimensiones
cuanto calor se transfiere al ambiente y como llega éste del elemento fuente; garantizando,
además, que el material resiste la temperatura de operación; la mecánica de los fluidos
se encarga de diseñar la válvula de alivio para que no exista una presión interna mayor
a la requerida y la resistencia de materiales garantiza que las presiones a las cuales está
sometido el recipiente no lo deformen o destruyan.
Como se puede observar, para llevar a cabo algún tipo de proceso y pasar de un estado a
otro, se requiere de recursos. Normalmente estos cambios requieren calor o trabajo. La
energía térmica es el agente que permite realizar cambios para los cuales se requiere el
calor y que pueden realizarse con trabajo convertido a calor (lo cual no es deseado).
Es importante anotar que para aplicar las ecuaciones, derivadas de las anteriores
disciplinas, se requiere de las propiedades (o atributos como la cantidad de masa por
unidad de volumen – densidad -, entre otros aspectos) de las diferentes sustancias
que intervienen en las transformaciones. Estas propiedades se obtienen con base
en mediciones. En otros casos se utilizan correlaciones para evaluar coeficientes, de
Uso eficiente y racional de energía
forma empírica, los cuales permiten establecer la velocidad de las transformaciones.
Por ejemplo, para establecer cantidades de sustancias, la termodinámica requiere
conocer propiedades como la densidad, la capacidad calorífica, entre otros aspectos. La
transferencia de calor se apoya en las propiedades de las sustancias y, adicionalmente,
establece correlaciones empíricas para hallar los coeficientes que permiten dimensionar
la velocidad con la cual se lleva a cabo el intercambio.
1.2. Definición operacional de términos
CALOR (Q) es energía de baja calidad puesto que, en su totalidad, no se puede convertir
en trabajo. Se manifiesta con el incremento de la temperatura de la materia o como un
cambio de fase de la misma (Vgr. Cambio de líquido a vapor a presión constante en virtud
del suministro de energía de una fuente de mayor temperatura). Se expresa normalmente
en kJ, kWh, kcal.
TRABAJO (W) es energía de alta calidad. Puede convertirse totalmente en calor.
Nota: el calor y el trabajo se expresan en unidades de energía (kWh, kJ, Kcal.)
ENERGÍA INTERNA (U): Cantidad de energía global contenida en la materia cuando ella
no se encuentra en movimiento. Está relacionada con la vibración atómica, molecular,
etc. Este tipo de energía se manifiesta con incrementos o decrementos de temperatura y
normalmente se asocia a la masa confinada.
ENTALPÍA (H): Cantidad de energía global contenida en la materia incluyendo su
energía potencial de movimiento y su energía interna (energía interna y trabajo de flujo).
Normalmente se asocia a una masa que se encuentra en movimiento. La masa que entra
o sale de un sistema (porción espacial de estudio) contiene energía interna y trabajo de
flujo. Es decir entalpía. Se relaciona con la energía interna y el trabajo de flujo (producto
de la presión (P) y el volumen (V) con la siguiente expresión:
H = U + PV
CALOR SENSIBLE: Se denomina así al rango de energía que existe en las sustancias
cuando ellas se encuentran en una fase homogénea (sólido, líquido o gas). Se obtiene un
cambio de la cantidad de calor sensible cuando la materia cambia de temperatura.
CALOR LATENTE: Se denomina así al rango de energía que existe en las sustancias
cuando ellas se encuentran en cambio de fase (sólido a líquido, líquido a gas o sus
recíprocos). El calor latente de vaporización se refiere a la cantidad de energía que
es necesario suministrar a la unidad de masa para llevarla exactamente desde la fase
líquida hasta la gaseosa. La temperatura permanece constante para sustancias puras
(vgr. agua)
ENERGÍA LIBRE (B,F,G): Cantidad que determina la energía que contiene la materia y
que puede convertirse en trabajo. Se asocia también al equilibrio químico.
Nota: Las otras definiciones, diferentes a calor y trabajo, normalmente se establecen por
unidad de masa. (Vgr. kJ/kg)
17
CAPACIDAD CALORÍFICA (Cp o Cv): Es una propiedad específica de cada sustancia
la cual permite establecer la cantidad de entalpía o de energía interna que gana (o
pierde) la unidad de masa de dicha sustancia en virtud de un cambio de un grado en la
temperatura a presión constante (Cp) o volumen constante (Cv), respectivamente. Sus
unidades son Energía/ masa– temperatura (kJ/kg- oK).
ENTROPÍA (S): Cantidad, que determina el grado de calidad de la energía contenido
en la materia. Permite cuantificar la cantidad de trabajo que puede obtenerse de la
energía calórica contenida en la materia y la cantidad que se pierde cuando se realizan
transformaciones donde no se produce trabajo. Establece la irreversibilidad de los
procesos y el grado de desorden de los sistemas. Por ejemplo: El trabajo necesario para
romper un vaso de vidrio es despreciable con respecto al que se requiere con el objeto
de regresarlo a su estado original.
EXERGÍA (B): Cantidad que determina la energía que contiene la materia y que puede
convertirse en trabajo, de acuerdo con la temperatura (To) de los alrededores.
B = H – To*S
ESTADO: Se define como la condición actual de un sistema. Lo identifican sus variables
de estado (presión, temperatura, entropía, entalpía, etc).
FASE: Estado en el cual una sustancia es homogénea (líquido, sólido, gas).
SISTEMA: Algún objeto de estudio demarcado.
ENERGÍA PRIMARIA: Se denomina al recurso energético potencial contenido en un
recurso natural. Sin embargo, en un hogar o industria, de acuerdo con el recurso utilizado,
la energía eléctrica se considera como tal independientemente de la forma como ella se
obtuvo.
ENERGÍA SECUNDARIA: Es el tipo de energía transformada a partir de una fuente
primaria con el objeto de emplearla en algún(os) casos específicos. Es de fácil uso.
CAPACIDAD: Cantidad que representa el poder de suministro en un tiempo determinado
(kg/h, Ton/mes, Carros/mes, camisas/día). La capacidad instalada es fácil de definir para
una máquina estándar, sin embargo, para un conglomerado de máquinas y productos no
es tan simple.
POTENCIA: Cantidad que representa la capacidad instantánea de suministro. Rapidez
con la cual se suministra calor o trabajo. (kJ/s, kW, etc.)
DEMANDA: Cantidad que representa el requerimiento de un bien (servicio o recurso)
en un tiempo determinado. Cuando es instantánea, la fuente debe tener la suficiente
potencia de suministro, de lo contrario la calidad baja. (kJ/s, kW, etc.)
CONSUMO: Cantidad que representa el gasto en un período arbitrario de tiempo
determinado. (kJ, kWh, etc)
PRODUCCIÓN: Cantidad que representa el suministro de un bien o servicio en un período
arbitrario de tiempo determinado.
Uso eficiente y racional de energía
EFICIENCIA: Se define como el cociente entre el gasto teórico que se debe causar y el
gasto causado, es decir, energía teóricamente requerida/energía utilizada.
CONFIABILIDAD: Se refiere al rango de incertidumbre con el cual se puede acceder
a la cantidad y a la calidad de los recursos energéticos necesarios para satisfacer la
demanda, en cualquier período de tiempo requerido.
DISEÑO: Elaboración de un arreglo funcional con el objeto de satisfacer una(s)
necesidad(es) de la forma más óptima posible.
PROCESO: Se denomina así al mecanismo mediante el cual se realiza un cambio
deseado. Es la metodología empleada, por ejemplo, evaporar agua, elaborar un producto
terminado a partir de una materia prima, etc.
PROCESO CONTINUO: Es la transformación que tiene lugar de forma infinitesimalmente
secuencial en el tiempo. Es aquel en el cual puede establecerse que la potencia (puede
ser másica inclusive) de entrada es igual a la potencia que se acumula más la potencia
de salida (es un proceso instantáneo). En términos simples, un ejemplo sería un proceso
en el cual a un tanque le entra un caudal y le sale otro caudal igual después de haber
sufrido un calentamiento.
PROCESO DISCONTINUO: No le interesa el tiempo, sino las cantidades utilizadas, para
llevar a cabo la transformación. En términos globales es de importancia establecer el
tiempo del período de la transformación (de la tanda o bache). Nótese que la energía
se conserva, pero la potencia no. Se puede levantar un peso a la misma altura en una
hora o en un segundo. Sin embargo, la energía potencial que dicho peso tiene en virtud
de la cota que posee es la misma, independiente de la rapidez con la cual se efectuó el
trabajo.
PODER CALORÍFICO: Cantidad de energía que puede liberar un combustible cuando
se combina con el oxígeno. Normalmente es la diferencia de entalpía existente entre los
reactivos y los productos de la reacción de combustión medida a 25 oC. Este valor puede
expresarse como un poder calorífico superior o inferior. El superior es aquel liberado en
la reacción cuando el agua producida, a partir de los reactivos, se encuentra en forma
líquida. El inferior expresa la cantidad neta liberada puesto que tiene en cuenta la cantidad
de energía requerida para vaporizar el agua producida a 25 oC. (kJ/kg, kJ/gal, kcal/kg,
etc.).
19
Disciplinas asociadas con la eficiencia
energética en sistemas térmicos
2.1. Termodinámica
E
sta disciplina estudia el estado energético de la materia y la posibilidad del
mismo para intercambiar calor o convertirlo en trabajo y viceversa.
Los procesos termodinámicos más comunes son el isobárico (presión constante), el
isoentálpico (entalpía constante), el isoentrópico (entropía constante), el isotérmico
(temperatura constante), el isocórico (volumen constante) y el adiabático (no existe
intercambio de calor con los alrededores).
El proceso isoentálpico considera que la entalpía contenida en un fluido que entra es igual
a la que sale. Existe generación de entropía y por lo tanto disminución en la disponibilidad
para generar trabajo. Se considera adiabático y no es reversible.
El proceso isobárico es aquel en el cual la presión permanece constante y existe
intercambio de calor con los alrededores. La entalpía no se conserva. Entalpía que entra
equivale a la entalpía que sale más el calor intercambiado.
El proceso isoentrópico es aquel que considera que la entropía se conserva. Es adiabático.
Idealmente la entalpía que entra es igual a la entalpía que sale más el trabajo. O la entalpía
que entra más el trabajo suministrado es igual a la entalpía que sale. Se considera que es
el único proceso reversible (no existe pérdida de la calidad de la energía).
El proceso isotérmico es aquel donde la temperatura del sistema objeto de estudio no
cambia.
El proceso adiabático es aquel en el cual no existe intercambio de calor entre el sistema
adoptado y los alrededores del mismo.
En algunos procesos se presenta que, una o más de las condiciones que los determinan,
pueden permanecer constantes. Por ejemplo, la evaporación de agua a nivel del mar o en
cualquier cota, donde la presión es constante, se realiza sin cambio en la temperatura.
Para realizar algunos de los procesos anteriores, exceptuando aquellos que se llevan
a cabo de forma espontánea en la naturaleza, se requiere de equipos. En la Tabla 1 se
presentan algunos procesos comunes donde se expresa un cambio en las condiciones,
en las cuales se encuentra la materia o un flujo de la misma, los equipos que se utilizan,
el principio termodinámico que lo rige y algunas observaciones al respecto.
Uso eficiente y racional de energía
Tabla 1. Equipos utilizados para los procesos termodinámicos comunes.
Una combinación secuencial (un arreglo funcional) de diferentes elementos (o equipos)
donde se llevan a cabo procesos termodinámicos origina un ciclo termodinámico. Los
ciclos termodinámicos se diseñan con el objeto de elaborar un producto, de prolongar
su vida útil, de proporcionar un ambiente confortable, etc. Ejemplos de éstos, son
aquellos diseñados para producir energía mecánica a partir de la energía potencial de los
combustibles (ciclo Rankine) y los ciclos para producir las condiciones de almacenamiento
de alimentos susceptibles a degradarse (ciclos de refrigeración).
En el siguiente ejemplo se ilustran algunas de las definiciones básicas y algunos cálculos
relacionados con la termodinámica:
Considérese un recipiente en el cual se producen 10 unidades por tanda de forma
discontinua. Con el objeto de cumplir con los estándares de calidad se requiere de uno
de los insumos así: entrando en la primera hora (energía o masa, etc) a una razón de 2
(kWh, kg, m3, etc)/hora (h) y en la segunda a razón de 3. El proceso de elaboración dura
dos horas.
Con base en el enunciado se puede calcular la demanda instantánea, la demanda
máxima, la potencia, la capacidad de suministro y el consumo.
La demanda instantánea del recipiente fue de 2 y de 3 (kWh, kg, etc)/hora (h) en la
primera y en la segunda hora, respectivamente.
La demanda máxima fue de 3. Por lo tanto, la fuente debe estar en capacidad de
suministrar instantáneamente este valor (debe poseer por lo menos una potencia de 3).
El consumo fue de 5. (En la primera hora consumió 2 y en la segunda 3). La producción
fue 10 y el consumo específico fue de 0.5 (5/10). Se gastan únicamente 0.5 unidades
de insumo por cada unidad producida y la cantidad de insumo acumulado al final de la
tanda es de 5.
21
Es importante anotar que el insumo acumulado es teóricamente susceptible de recuperarse
en su totalidad (siempre y cuando no existan pérdidas). Sin embargo, lo más probable es
que su calidad se disminuyó y, por consiguiente, se requiere de un tratamiento posterior
para su reutilización.
Normalmente la energía es un insumo que se le agrega a la masa. Si determinada
cantidad de materia tiene un valor, a ella debe agregársele el valor económico del costo
energético que posea, con el objeto de satisfacer una necesidad. La energía almacenada
tiene un costo. No es lo mismo (o equivalente) almacenar agua a temperatura ambiente
que almacenarla a una temperatura superior. Se puede llenar un tanque en un minuto o
en un segundo. Se puede vaciar en un año. Igual ocurre con la energía.
En la tabla 2 se presenta un resumen de los equipos de suministro, del principio de
operación de los mismos y de las principales unidades en las cuales se establecen los
parámetros de operación. Específicamente para el caso del ejemplo anterior, asumiendo
que se trata de un proceso de limpieza (el producto final debe ser material libre de
impurezas) se analizarán tres posibilidades hipotéticas de empleo de la fuente secundaria
que son: agua a temperatura ambiente, agua caliente a 80 oC o vapor de agua saturado
a una presión de 8.65 atmósferas (125 psig).
Tabla 2. Especificaciones para el ejemplo (definición operacional de términos)
Con el objeto de estudiar los tres casos se tienen los siguientes resultados:
Primer caso: Si el insumo utilizado es agua a temperatura ambiente (25 oC) y se adopta
como ejemplo que se requiere de un caudal de 2 y 3 m3/h (2000 y 3000 kg/h – densidad
del agua 1000 kg/m3-) para la primera y segunda hora, respectivamente, la bomba debe
disponer de una capacidad de suministro de 3 m3/h y las cantidades calculadas en el
ejemplo original se conservan. Anotándose que la cantidad acumulada al final (5 m3, o
sea, 5000 kg) puede ser susceptible a recuperarse. No se dispone de energía térmica
asociada. El consumo específico de agua fue de 0.5 (m3/ unidad) y el de energía térmica
fue 0.
Segundo caso: Si el insumo corresponde al mismo caudal de agua a 80 oC (agua caliente)
se requiere, no sólo que la bomba pueda suministrar el caudal (energía mecánica), sino
Uso eficiente y racional de energía
también de una fuente de calor. Éste puede ser un intercambiador de calor (gases de
combustión – agua) que le agregue energía a la misma, incrementando su temperatura
de 25 a 80 oC. Por lo tanto, a partir de este punto no se puede establecer que la capacidad
de suministro es de 3, puesto que se requiere definir las cantidades de insumos, (masa
y energía asociada a ella) de forma simultánea, con el objeto de elaborar el producto. En
este punto, el proceso de limpieza exige dos condiciones que son un caudal de agua y
una temperatura de la misma.
Con base en lo anterior el enunciado del ejemplo es el siguiente: Considérese un
recipiente perfectamente aislado (no intercambia calor con los alrededores) en el cual se
producen 10 unidades por tanda de forma discontinua. Con el objeto de cumplir con los
estándares de calidad se requiere de un caudal de agua a 80 oC, entrando en la primera
hora a una razón de 2 m3/h y en la segunda a razón de 3. El proceso de elaboración dura
dos horas.
En la primera hora se le debe agregar al agua 459.8 MJ (mega joules), calculados así:
2 m3/h * 1000 kg/m3* 4.18 kJ/ (kg - oC )*(80 – 25) oC * 1 MJ/ 1000 kJ * 1 h, o sea 127.7
kWh (459.8 MJ * 1000 kJ/MJ * 1 h/3600 segundos ) de energía a una razón de (459.8
MJ/h * 1 h/ 3600 s * 1000 kW/MJ ) 127.7 kW (kilowatios) y en la segunda hora 689.7
MJ a una razón de 191.6 kW. Por lo tanto, la fuente de calor debe disponer de una
capacidad para suministrar (o transformar) al menos 191.6 kJ/s (kW) con el objeto de
satisfacer la demanda instantánea del proceso. Nótese que generar calor útil requiere de
altas potencias.
La energía almacenada, en el agua al final de la tanda, es de 1149.5 MJ (127.7+191.6=
319.3 kWh) la cual es igual a la cantidad consumida y susceptible a recuperarse. El
consumo específico de energía térmica fue de 114.9 MJ/unidad producida (1149MJ/10
unidades) y el de agua fue de 0.5 (m3/unidad).
Nota: 1000 kg/m3, 4.18 kJ/(kg - oC) y (80 – 25) oC corresponden a la densidad, a la
capacidad calorífica (Cp) y a la diferencia de temperatura inicial y final del agua,
respectivamente. La multiplicación de estos factores da lugar a la cantidad de energía
que ingresa por unidad de tiempo.
Puede también calcularse el costo del insumo energético de la siguiente forma. Si la
fuente es la energía eléctrica se requieren de $ 63860 (319.3 kWh * 200 $/kWh). Eficiencia
de conversión de energía eléctrica a térmica del 100%.
Utilizando un intercambiador gases de combustión – agua, se requiere que la energía
aportada por la reacción del combustible y el oxígeno sea de 1436.9 MJ (asumiendo un
80% en la eficiencia de transferencia de la energía liberada en la reacción de combustión
al agua, o sea, 1149.5 MJ/0.8).
Si el insumo empleado es ACPM se requieren $ 39944 (1436.9 MJ *1000 kJ/MJ * (1/44726)
kg/kJ*(1/0.85 ) lt/kg * (1/3.785) galón/lt) o sea (10 galones de ACPM a 4000$/galón)).
Si el insumo es gas natural se requieren $ 19902 (1436.9*1000*(1/46413.5)*(1/0.7) o sea
44.4 m3 de gas natural a 450 $/m3).
Adviértase que el cálculo se desarrolló así: Energía requerida en el proceso (1149.5 MJ)
* 1/Eficiencia del equipo donde se realiza la combustión y se transfiere el calor (1/0.8)
23
* 1/poder calorífico inferior del combustible * 1/densidad del combustible * relación de
volumen o peso en el cual se comercializa el combustible * el costo del combustible. Lo
anterior es aplicable a combustibles líquidos o gaseosos. En el caso de combustibles
sólidos no se requiere dividir por la densidad.
La eficiencia del equipo donde se realiza la combustión debe calcularse con la misma
base de poder calorífico utilizado para calcular la cantidad de combustible requerida.
Tercer caso: Si el insumo corresponde al mismo caudal de agua convertido a vapor de
125 psig se requiere, inicialmente, que la bomba pueda suministrar el caudal de agua
líquida a la fuente transformadora (caldera) a la presión requerida y, posteriormente,
que la fuente esté en capacidad de transferir la energía, proveniente de la mezcla del
combustible y el aire, al caudal de agua para transformarlo en vapor a las condiciones
deseadas. Al igual que en el caso 2 se requiere definir las cantidades de insumos, (masa
y energía asociada a ella) de forma simultánea.
Por lo tanto, el proceso de limpieza exige dos condiciones que son un caudal de vapor
de agua saturado (en estado de cambio de fase) y la condición de estar a una presión de
125 psig (la cual fija la temperatura de operación del lavado).
Con base en lo anterior el enunciado del ejemplo es el siguiente: Considérese un recipiente
en el cual se producen 10 unidades por tanda de forma discontinua. Con el objeto de
cumplir con los estándares de calidad se requiere de un flujo másico de vapor saturado
a 125 psig, entrando en la primera hora a una razón de 2000 kg/h (equivalente a 2 m3/h
de agua líquida a 25 oC) y en la segunda a razón de 3000. El proceso de elaboración
dura dos horas.
Con el objeto de establecer las cantidades se necesita conocer la cantidad de energía que
contiene cada kilogramo de un vapor saturado a 125 psig referenciado a una temperatura
de 0 oC y el que contiene el agua líquida de alimentación a la misma referencia. En este
sentido, la diferencia entre ambas es aquella que debe suministrársele al agua líquida
para llevarla a las condiciones deseadas. Para el agua, el aire, los fluidos refrigerantes y
otras sustancias existen, en un amplio rango de presión y temperatura, tablas que tienen
calculados los contenidos energéticos por cada unidad de masa en el estado en el cual
se encuentran. Estas tablas normalmente tienen como referencia en el caso del agua
(la cual se puede encontrar en la naturaleza de forma líquida, sólida o gaseosa) una
temperatura de 0 oC.
Como se explicó anteriormente, la entalpía se asocia a flujos. De las tablas de los textos
de termodinámica se obtiene que la entalpía de vapor de agua saturado a 139.7 psia
(125 psig la cual es la presión que se lee en un manómetro y para obtener la total, a ésta,
se le debe adicionar el valor de la presión atmosférica que es 14.7 psi a nivel del mar y
12.6 psi a 1600 m de altura) es de 2770 kJ/kg. La temperatura del vapor saturado es de
177 oC – la cual es la requerida con el objeto de eliminar las impurezas - y su densidad es
de 4.8 kg/m3. La energía que ingresa con el agua líquida a 25 oC es de 104.5 kJ/kg. Por
lo tanto es necesario adicionarle al agua, que ingresa a temperatura ambiente, energía a
una razón de 1480 kW en la primera hora (calculados así: (2270 – 104.5 kJ/kg * 2 m3/h
* 1000 kg/m3 * 1hora /3600 segundos) y en la segunda de 2220. Este valor es el mínimo
que debe disponerse en la capacidad instalada (o nominal) del equipo transformador o
fuente de energía secundaria (caldera) con el objeto de satisfacer la demanda instantánea
Uso eficiente y racional de energía
del proceso. En términos comerciales, por lo menos, de 230 BHP (Boiler Horse Power).
Nótese que en la primera hora, la caldera operaria al 50% de su capacidad (porcentaje
de carga).
La energía almacenada, al final de la tanda, es de 3700 kWh (13320 MJ) la cual es
igual a la cantidad consumida y susceptible a recuperarse. El consumo específico de
energía térmica fue de 1332.0 MJ/unidad producida y el de agua fue de 0.5 (m3/unidad).
La cantidad de agua no cambió en ninguno de los tres casos.
En los casos 1 y 2 el recipiente que recibe la masa de agua debe contener un volumen
mínimo equivalente a la cantidad de agua almacenada al final del proceso. Si se tiene
una densidad de 1000 kg/m3, este debe ser mínimo de 5 m3. En el caso 3, la densidad
del vapor saturado (a 125 psig obtenido de las tablas termodinámicas) es de 4.8 kg/m3 y
por lo tanto el volumen del recipiente debe ser mínimo de 1042 m3. Véase que almacenar
masa de vapor, a estas condiciones, requiere altos volúmenes. Con base en lo anterior
pensar en adquirir una caldera que proporcione 2500 kg/h de vapor a 125 psig (139.7
psia) de forma continua con el objeto de gastar 2000 (almacenar 500 kg) en la primera
hora y proporcionar en la segunda los 2500 más los 500 almacenados, requeriría de un
tanque del orden de 104,2 m3.
Obsérvese que hasta este punto, en los casos estudiados, se ha asumido que no existen
pérdidas de presión ni de calor en los sistemas de distribución. Sin embargo, éstas se
encuentran presentes dependiendo, entre otras cosas, de la longitud del trayecto que
deben recorrer los fluidos, de la geometría de los ductos por los cuales fluye y de los
accesorios y restricciones presentes (codos, válvulas etc.). Si en este punto se asume
que este tipo de pérdidas están ya consideradas entre las condiciones de operación del
equipo donde se producen las 10 unidades y los equipos generadores (transformadores)
puede afirmarse que almacenar el vapor a 125 psig para utilizarse luego posiblemente
no entorpecería el proceso. En el caso 1 si se cambia la bomba que se requiere (3 m3/h)
por una de 2.5 m3/h con el objeto de almacenar 0.5 m3 en la primera hora y utilizarlos
en la segunda (donde se requiere una capacidad de bombeo de 3) posiblemente el
proceso se verá afectado. No obstante lo anterior, el caso se debe estudiar con un mayor
detenimiento considerando otras disciplinas como la mecánica de los fluidos.
Si se retoma el enunciado original del problema y el recipiente tiene un orificio en el cual
se pierde 1 (kWh, kg, etc)/hora (h). Con el objeto de sostener la producción y su calidad,
la fuente debe estar en capacidad de suministrar, en la primera hora 3 y en la segunda 4.
Las condiciones cambiaron. La demanda en la primera hora se incrementó de 2 a 3 y en
la segunda de 3 a 4. La capacidad de suministro pasó de 3 a 4. El consumo del insumo,
en las dos horas fue de 7 y, si se parte de la premisa que el consumo teórico necesario
eran 5, la eficiencia fue del 71.4% (5/7 *100). El nuevo consumo específico es de 0.7
(7/10).
2.2. Transferencia de calor
Prácticamente la mayoría de las definiciones anteriores, están relacionadas con la
termodinámica y la transferencia de calor, disciplina que estudia la forma como el calor
fluye, aceptando la premisa de que éste fluye de un sitio de mayor temperatura a uno de
menor.
25
Existen tres mecanismos mediante los cuales el calor fluye de un lugar a otro: la conducción,
la convección y la radiación. Estos mecanismos son objeto de estudio de la transferencia
de calor y ellos parten de la condición de que existe un flujo de calor, siempre y cuando
exista una diferencia de temperatura entre los fluidos, moléculas adyacentes, superficies,
etc., que se encuentran interactuando.
Conducción: Se presenta en el seno de la materia de fase homogénea (sólido, líquido o
gas). Si una porción de un sólido está en contacto con su porción adyacente y se encuentran
a diferente temperatura, el calor fluye desde el nivel de mayor agitación molecular (mayor
temperatura) hacia el sitio de menor temperatura. Si dos sólidos (o más) se encuentran
adyacentes (sin movimiento) el calor continua fluyendo por el mecanismo de conducción.
Sin embargo, si uno de los materiales, dada su naturaleza, no permite que el calor fluya,
éste se conservará en la fuente. Es importante anotar que este mecanismo se presenta
en todas las fases (sólida, líquida y gaseosa) y que normalmente la velocidad con la cual
se propaga el calor, debido a este mecanismo, es más relevante en los sólidos (sobretodo
en los metales) que en los líquidos y con menor grado en los gases. La fórmula básica de
este mecanismo, conocida como la Ley de Fourier, es:
q = K*A*(T1 – T2)/(L1 – L2)
En donde q es el flujo de calor expresado en watios (joules/segundo), K es la conductividad
térmica expresada en watios/(metro–grado centígrado), A es el área transversal por la
cual está fluyendo el calor expresada en m2 y (T1 - T2) es la diferencia de temperatura
longitudinal (grados centígrados) existente entre L1 y L2. Ver figura 3. Es importante
resaltar que altos valores de K es propio de materiales buenos conductores de calor,
como lo son los metales, y que bajos valores se presentan en los aislantes como el
ladrillo refractario, la madera, etc.
Figura 3. Mecanismos de conducción
Convección: Ocurre cuando la materia presente en dos fases, no homogéneas y a
diferentes temperaturas, está en contacto y en movimiento relativo. Por ejemplo, cuando
el aire (fase gaseosa) se encuentra en contacto con un sólido y entre ellos existe una
diferencia de temperatura, el calor fluirá desde aquel con mayor temperatura al de menor.
La fórmula básica de este mecanismo conocida como la Ley de Enfriamiento de Newton,
es:
q = hc *A * (T – T medio)
Uso eficiente y racional de energía
En donde q es el flujo de calor expresado en watios (joules/segundo), hc es el coeficiente
de transferencia de calor por convección expresado en watios/(metro2–grado centígrado),
A es el área de contacto entre las fases (sólido – líquido, sólido – gas, líquido – gas
etc.) que intercambian calor expresada en metro2 y (T1 – T medio) es la diferencia de
temperatura entre las fases (grados centígrados) .Ver figura 4.
Figura 4. Mecanismos de convección
Radiación: Es el mecanismo mediante el cual interactúa el calor contenido (o liberado)
por dos o más superficies geométricas demarcadas por la materia, independiente de la
fase en la cual ellas se encuentren (gaseosa, líquida o sólida), en virtud de una diferencia
de temperatura entre las mismas. No se requiere un contacto ni un medio material para
que el calor fluya. Por ejemplo: el calor que llega del sol y se transporta incluso a través
del vacío (lugar donde no existe materia). La fórmula básica para una superficie que
emite calor por radiación, conocida como la Ley de Stephan Boltzmann, es:
En donde es la constante de Stephan-Boltzmann (5,67x10-8 W/m2/K4) y A , E y Ts son
el área (en m2), la emisividad (factor adimensional que indica el grado de evacuación o
asimilación de la energía radiante de una superficie) y la temperatura (en grados Kelvin)
de la superficie que emite, respectivamente.
Si se desea conocer la cantidad de esta energía que recibe otra superficie es necesario
establecer un factor de forma, puesto que la superficie emisora lo hace en todas las
direcciones espaciales. Por lo tanto, solamente una porción de ésta llegará a la otra
superficie. Ver figura 5.
Figura 5. Mecanismos de radiación
27
Los tres mecanismos descritos permiten evaluar la forma como el calor fluye de un
sitio a otro. Un ejemplo de lo anterior es el de un automóvil, situado en un ambiente
soleado, donde la temperatura ambiente (el aire circundante) se encuentra a 25 grados
centígrados (297 grados Kelvin). Fácilmente la temperatura de la carrocería exterior se
encuentra, en estado estable, a 55 oC. Puede observarse que el automóvil pierde calor
por convección al ambiente con el cual está en contacto; por radiación al ambiente, a los
edificios que se encuentran a su alrededor y al espacio en diferentes direcciones y por
conducción de las llantas al pavimento. Nótese que para cuantificar la cantidad de calor
intercambiada en este ejemplo en ningún momento se requiere utilizar la masa del vehículo
(únicamente geometrías y flujos de energía calórica). Es decir, la termodinámica interviene
implícitamente al establecer que el calor fluye de mayor a menor temperatura.
En el anterior ejemplo se observa que existe una participación de la energía que
ingresa y sale del automóvil (objeto de estudio) de acuerdo con los tres mecanismos
de transferencia de calor. En este caso, puede afirmarse que, de acuerdo con cálculos
realizados en las tres ecuaciones que rigen los fenómenos, el calor por radiación que
recibe el automóvil del sol es prácticamente el cien por ciento, el calor que conduce al
pavimento es despreciable (área de contacto y la conductividad térmica de las llantas
son bajas) y el calor que se evacua por radiación (a edificios, etc) y por convección al
aire, dada la diferencia de temperatura entre ambos (55 – 25 = 30 (oC o oK)), son del
orden del 35 y el 65 %, respectivamente, y establecen el balance térmico con el cual,
la energía calórica que ingresa por radiación del sol se evacúa. Es importante anotar
que los balances realizados se elaboran en la misma base temporal, y por lo tanto, a la
transferencia de calor solamente le interesa la potencia, la calidad de la superficie (su
calor o porcentaje de energía que emite del espectro) y su geometría.
Cálculos derivados de los diferentes mecanismos de transferencia de calor permiten
inferir que el mecanismo de radiación es importante a medianas y altas temperaturas,
sin importar la fase en la cual se encuentre, ni la naturaleza de la materia. Sin embargo,
los tres mecanismos de transferencia de calor utilizan las propiedades de las sustancias,
como por ejemplo la densidad (relación peso/volumen), la viscosidad (constante de
proporcionalidad que depende de la naturaleza del fluido y que relaciona el esfuerzo
cortante con la velocidad del mismo), la conductividad térmica, etc.
En situaciones prácticas es aceptable utilizar la siguiente ecuación para el flujo de
calor emitido por radiación. En donde hr es el coeficiente de transferencia de calor por
radiación, A es el área de la superficie emisora a temperatura T1 y el medio se encuentra
a temperatura T2
q = hr *A * (T1 – T2)
combinando los efectos de radiación y convección se tiene que el coeficiente total (ht)
ht = hr (radiación) + hc (convección)
por lo tanto,
q = ht *A * (T1 – T2)
En el ejemplo del carro expuesto al sol puede establecerse que el coeficiente total (ht)
entre el carro y el medio es del orden de 13 W/(m2 oC). Valor aproximado para una
diferencia de 30 oC entre el medio y el carro.
Uso eficiente y racional de energía
En la figura 6 se presentan los valores aproximados de ht en función de la diferencia de
temperatura entre un sólido (de emisividad 0.8) y el aire en reposo.
Figura 6. Coeficiente global de transferencia de calor total entre un sólido y aire a temperatura ambiente
Si el carro del ejemplo tiene una área de un m2 la cantidad de calor que está disipando es
de 390 watios, calculados así: 13 W/(m2 oC) * 1 m2 * (55 oC – 25oC).
En la figura 7 se presenta un estimativo del porcentaje del calor disipado debido a la
contribución por radiación y convección para el aire en reposo. Nótese que alrededor
de una diferencia de 500 oC la contribución por radiación es del orden del 80 %.
Figura 7. Porcentajes de disipación de calor por los mecanismos de convección y radiación
En la figura 8 se presenta un estimativo del factor de corrección, de la magnitud de las
pérdidas por el mecanismo de convección, dada la velocidad del aire circundante para
velocidades de 0.5, 3 y 4 m/s, respectivamente.
Figura 8. Factor de corrección dada velocidad del viento.
29
Con base en las tres gráficas se puede observar que para una diferencia de temperatura
entre la pared y el aire de 30 oC (55 – 25), de la figura 7, el 35% se debe al mecanismo
de radiación y el 75% al de convección. Por lo tanto, afectando el coeficiente total (ht),
correspondiente a la misma diferencia de temperatura que se obtiene en la figura 6 (ht =
13), por este porcentaje se encuentra que hc es 9.75 (13 *0.75) y que hr es de 3.25.
Si el aire no se encuentra en reposo sino con una velocidad de 3 m/s, se tiene un factor
de corrección para hc del orden de 4 y por lo tanto el coeficiente de convección pasó de
9.75 a 39 (9.75 * 4). El coeficiente total pasó de 13 a 42.25 (39+3.25). Si la temperatura
del automóvil del ejemplo se conserva en 55 OC el calor evacuado por el vehículo, de
un metro cuadrado de área superficial, es de 1268 W y equivale al que le ingresa por
radiación. Lo anterior debido a que el balance del sistema se conserva. Nota: la irradiación
solar en Medellín puede alcanzar valores hasta de 1350 W/m2, lo cual indica que en un
día soleado y de altos vientos la superficie exterior del vehículo fácilmente puede estar
a 55 OC.
2.3. La Fisicoquímica
La Fisicoquímica es la disciplina que se encarga de estudiar los fenómenos que ocurren
en la materia bajo el punto de vista de la física y la química y establece relaciones entre
ambas ciencias. Le permite a la termodinámica, y a otras disciplinas, establecer las
propiedades relacionadas con las sustancias. Por ejemplo, si al agua se le agrega aceite
éste permanece en la superficie debido a su menor densidad y por lo tanto la mezcla ,
agua–aceite, se comporta de forma diferente a aquella que tendrían sus componentes
puros. Otro ejemplo es aquel en el cual se le adiciona sal al agua. El agua normalmente se
solidifica a 0 oC. Si se le adiciona sal se solidifica a una temperatura menor dependiendo
del volumen de agua y de la cantidad de sal disuelta en ella. A este tipo de fluidos se les
denomina salmueras (por lo tanto se puede disponer de un fluido -“salmuera”- por debajo
de los 0 oC, susceptible a bombearse por tuberías). La fisicoquímica se apoya en los
principios de conservación y en relaciones empíricas para establecer propiedades.
Las leyes que se enmarcan en esta disciplina del saber son muchas. Algunas de ellas
aplicables en el contexto de este documento, son la ley de los gases ideales, de Boyle,
de Charles - Gay Lussac, de Amagat, de Dalton y de Raoult, entre otras.
La ley de los gases ideales establece que el producto entre la presión absoluta (P) a
la cual se encuentra confinado un gas y el volumen (V) que ocupa, es directamente
proporcional al número de moles existentes (n) y a la temperatura absoluta del sistema
(T). La constante de proporcionalidad (R) se conoce como la constante universal de los
gases. Matemáticamente se establece así:
P*V = n R T
En donde R es 0.082 atm-lt/Ok-gmol y n equivale a la fracción del peso existente en el
sistema referido al peso de 6.02*1023 moléculas del gas, o sea, a su peso molecular (Ley
de Avogadro).
El producto P*V tiene unidades de energía (atmósferas * litro o Pascal * m3). Si en la
ecuación de los gases ideales se mantienen la temperatura y la cantidad de gas constantes
Uso eficiente y racional de energía
(Ley de Boyle) y se incrementa la presión, necesariamente el volumen baja con el objeto
de mantener el producto constante. Por lo tanto, la termodinámica establece que con el
objeto de mantener la temperatura constante (al adicionarse trabajo de compresión) es
necesario retirar calor del sistema (proceso isotérmico).
Puede observarse que si se realiza un proceso isocórico (el volumen permanece constante),
un incremento en la temperatura origina un incremento en la presión y viceversa. Si la
presión y la cantidad de gas se conservan (proceso isobárico) necesariamente el volumen
se incrementa con un incremento en la temperatura (Ley de Charles – Gay Lussac) y se
requiere adicionar calor al sistema.
El aire no es un gas puro sino que es una mezcla de gases que se pueden considerar
como puros de forma individual. Posee un 21 % molar de la molécula de O2 (oxígeno
biatómico) y un 79 % de N2 en base seca. También posee trazas de Argón, Helio, etc.,
cuya influencia, para efectos de los diferentes cálculos que se realizan en los sistemas
que se consideran en este documento, se pueden suponer despreciables. También
contiene una cantidad de agua en estado gaseoso que no es despreciable y que debe
tenerse en cuenta en los diferentes cálculos.
Las leyes de Dalton y Amagat establecen que la suma de las presiones parciales de
cada gas individual al volumen ocupado por la mezcla, equivale a la presión total y que el
volumen total de una mezcla de gases, equivale a la suma de los volúmenes ocupados
por cada gas a la presión y la temperatura de la mezcla, respectivamente. La ley de
Raoult establece las proporciones que pueden condensarse de determinada molécula
en las mezclas.
2.4. La mecánica de fluidos
La mecánica de fluidos permite establecer la cantidad de energía cinética que se
transforman en calor, dados los esfuerzos cortantes que interactúan en el seno del fluido
y con el medio en el cual circula, cuando éste se encuentra en movimiento. Se apoya
totalmente en los principios de la conservación, estudia las cantidades con base en la
premisa de que la masa fluye de un sitio de mayor presión hacia uno de menor, cuantifica
las pérdidas de energía cinética en conductos, tuberías, etc.; establece relaciones
empíricas (experimentales) para cuantificar la magnitud de la energía mecánica perdida
(de alta calidad) dada la fricción de los fluidos transformada a calor. Esta disciplina permite
cuantificar la dimensión geométrica (y económica) de los conductos y adicionalmente,
posibilita establecer la potencia requerida, en los equipos, fuente de movimiento de los
fluidos. Estudia también los esfuerzos cortantes que se originan en las capas de los
fluidos en movimiento, los cuales poseen una velocidad puntual que varia de acuerdo
con la distancia existente entre el medio por el cual se transporta y el punto (existe
un perfil de velocidad desde el punto de contacto del fluido con el medio y el espacio
en la dirección normal -perpendicular- al punto de contacto). El esfuerzo cortante es
directamente proporcional al cociente entre la velocidad puntual (u) y la distancia puntual
al medio (y). La fórmula básica, conocida como la Ley de Newton, es:
31
En donde es el esfuerzo cortante expresado en Pa (pascales), es la constante de
proporcionalidad expresada en Pa * segundo (Kg/m-s) o en una unidad denominada
poise (g/cm-s) y es una medida de la resistencia del fluido a cambiar su posición espacial
o a fluir por el interior de un conducto, (u1 – u2 ) es el cambio de velocidad expresada
en m/s correspondiente a un cambio en la distancia normal al punto de contacto (y2
– y1 ) expresada en m. Por ejemplo, cuando un fluido se transporta por una tubería, la
velocidad de las moléculas del mismo es cero para aquellas que están en contacto con
el material de la misma y adquieren un valor máximo en el centro de ella. Es así como se
requiere ejercer una fuerza más alta para desplazar una distancia a un aceite que al agua
y, adicionalmente, si se perturba la superficie, las moléculas adyacentes a ella se mueven
y las que se encuentran bajo ellas adquieren un menor movimiento (se disipó calor en
virtud de la fricción entre las capas demarcadas).
Existe otra relación fundamental en la mecánica de los fluidos denominada la relación
de Darcy-Weisbach, que vincula las pérdidas de presión del sistema con las relaciones
geométricas del medio donde se transporta y de la velocidad expresada así para ductos :
Donde hp es la pérdida de presión (o carga o cabeza) debida a la fricción expresada
en metros (m), f es el factor de fricción de Darcy o coeficiente de rozamiento (no tiene
dimensiones), L/D es la relación entre la longitud y el diámetro de la tubería (m/m), U es
la velocidad del flujo (m/s), g es la aceleración de la gravedad (9.8 m/s2), ρ es la densidad
del fluido (kg/m3) y
es la diferencia de presión existe entre dos puntos longitudinales
del ducto expresada en Pascales (Pa).
El manejo de las unidades es el siguiente: Un pascal (Pa) con el cual se expresan la
presión y también los esfuerzos cortantes equivale a un Newton/m2 (fuerza ejercida en
una área específica) . Un Newton (N) es una unidad de fuerza. La fuerza equivale al
producto entre la masa y la aceleración y por lo tanto sus unidades son kg*m/s2.
La potencia mecánica (trabajo/tiempo) requerida para subsanar una pérdida de presión,
se calcula con la siguiente expresión:
En donde Q es el caudal expresado en m3/s. Por ejemplo, para hp = 2m , Q = 100
m3/h (0.028 m3/s), = 1000 kg/m3 (densidad del agua) y g = 9.8 m/s2 (aceleración de la
gravedad) W=0.028* 1000 * 9.8 * 2 = 548 W (vatios, julios/s o N-m/s).
Como se puede observar, las anteriores disciplinas centran su atención en la deducción
de las ecuaciones del transporte de energía entre las diferentes fases perceptibles de
la materia (sólido, líquido y gas) y de la forma como se combinan los mismos. Algunas,
se apoyan en el elemento empírico para obtener resultados cuantificables y tangibles.
Sin embargo, puede afirmarse que todas las anteriores se apoyan y tienen su base
fundamental en la teoría atómica y en la molecular.
Uso eficiente y racional de energía
Uso racional y eficiente de la energía
en sistemas térmicos
3.1. Generalidades
E
n este capítulo se presentan algunas metodologías simples que permiten
establecer una aproximación al cálculo de las economías susceptibles
de conseguir, con la adopción de algunas medidas para la utilización de
recursos energéticos empleados en sistemas térmicos. Es importante anotar
que con el objeto de cuantificar valores más ajustados a la realidad se requiere
efectuar, en cada caso particular, una serie de cálculos con mayor rigor en cada
una de las áreas o disciplinas. Sin embargo, los diferentes procedimientos que
aquí se presentan, permiten establecer un punto de referencia, para decidir si se
continúa con algunos de mayor profundidad. Como complemento se presenta la
evaluación económica de forma tangencial, puesto que el valor de los insumos y
los materiales cambia para cada análisis.
Es importante anotar que las medidas de uso racional de energía se pueden inclinar al
diseño o a la operación de los elementos consumidores, distribuidores o transformadores
(o fuentes) en los equipos o sistemas existentes. Cuando los elementos se encuentran
en operación (equipos existentes que a pesar de ser eficientes termodinámicamente
para su diseño se convierten en obsoletos dado los porcentajes de carga o su
sobredimensionamiento) es a veces económicamente viable sustituirlos por otros cuyo
desempeño sea acorde con los volúmenes que se manejan o que registran un mejor nivel
de innovación tecnológica. También es importante anotar que el mantenimiento que se
le proporcione a los diferentes elementos constituyentes del sistema, evita deterioros y
pérdidas innecesarias.
Normalmente, con el objeto de satisfacer las necesidades de cualquier actividad se
requiere de insumos. Se puede establecer que existen sistemas que pueden prestar
un servicio a diferentes sitios (usuarios), los cuales se denominan los servicios. Así por
ejemplo, en un hogar, el sistema de agua fría o caliente (el cual tiene energía agregada)
se puede utilizar de forma simultánea en los baños, en los lavaplatos, etc. El sistema
eléctrico se utiliza para iluminación de las diferentes instalaciones, para la cocción, etc.
De esta manera, para satisfacer unas necesidades en un conglomerado o elaborar
cualquier tipo de producto, pueden existir diversidad de servicios como: sistemas de
calefacción, vapor, agua, aire comprimido, agua de enfriamiento, eléctrico, refrigeración,
entre otros. Estos sistemas constan de tres partes fundamentales: generación (la fuente
transformadora), distribución y consumo.
Cuando se evalúa un sistema debe establecerse la eficiencia de operación y la calidad
del mismo. Estas dos condiciones no sólo tienen presente la eficiencia de operación
33
del sistema en conjunto sino también que la capacidad de suministro esté acorde con
la demanda de los usuarios. La calidad del servicio está asociada directamente con la
capacidad de suministro, garantizando el mismo y con el buen mantenimiento de los
diferentes elementos que lo componen, garantizando su calidad. Adicionalmente debe
tenerse un amplio conocimiento de las necesidades, prioridades, eficiencias y demandas
de manera que se puedan establecer políticas de planeación y costos. Debe, en lo
posible, evitarse desperdicios y consumos innecesarios.
En la tabla 3 se presenta una clasificación de los diferentes equipos empleados para la
transformación de energía, de acuerdo con los sistemas que prestan un servicio, el tipo
de instalación, las consideraciones globales de operación y las unidades en las cuales
se especifica la capacidad de los diferentes elementos transformadores (o fuentes)
secundarias de energía.
Tabla 3. Equipos y sistemas comúnmente empleados (fuentes secundarias)
Uso eficiente y racional de energía
En la figura 9 se presenta un diagrama de los diferentes flujos de energía de alguno
de los servicios enmarcados en la tabla 3. Anotándose que la fuente (o transformador)
dispone de una capacidad y genera una cantidad de energía secundaria (a partir de
alguna primaria) y que ésta se distribuye a los usuarios (consumidores). Las pérdidas de
energía tienen lugar en los tres subsistemas (generación, distribución y consumo).
Figura 9. Sistema Específico
El primer paso que se debe considerar en un diagnóstico debe ser definir las cantidades
nominales requeridas en cada consumidor. Posteriormente se debe considerar la
probabilidad de la operación simultánea. Si se desea una alta confiabilidad en el suministro
se debe partir de la premisa que la probabilidad de la operación simultánea es uno. Por
consiguiente, la fuente debe estar en capacidad de suministrar el recurso secundario
para satisfacer una demanda máxima correspondiente a la sumatoria de las requeridas
por cada uno de los consumidores. Sin embargo, la anterior hipótesis es antieconómica,
por lo tanto se requiere un estudio del factor de diversificación y de simultaneidad.
En la figura 9 se observa que los flujos (cantidades por unidad de tiempo), representados
por las flechas pueden ser de masa, de masa con contenido energético o simplemente de
energía (en el caso del sistema eléctrico fluyen electrones). Las pérdidas tienen lugar en
cualquier lugar del sistema. Actualmente tienen costo todos los insumos que transportan
energía excepto el aire. Por ejemplo, en el agua con contenido energético tiene costo el
insumo transportador (agua) y el insumo energético agregado a la misma. Debe anotarse
que el flujo no es el único requisito necesario, también existe un requisito básico que
hace referencia al nivel energético que debe contener dicho flujo, es decir, la cantidad de
energía susceptible a transferirse por cada unidad de flujo [kJ/kg, kJ/m3, etc.]. Por ello,
no es lo mismo tener una cantidad de agua a 100 oC que a 120 oC.
En la figura 10 se presentan de forma gráfica, para algunos sistemas específicos, los
requisitos adicionales acordes con la figura 9. Anotándose que lo más probable es que
las cantidades (de masa y/o energía) requeridas en la unidad de tiempo (demandadas)
por cada uno de los usuarios es diferente y que las condiciones a las cuales están
operando los usuarios es diferente. En ella se observa que no sólo se deben cumplir
unas cantidades de flujo sino también unos requisitos de operación. Por ejemplo, el
consumidor 1 o usuario 1, debe cumplir no solamente con una cantidad que ingresa en
un tiempo determinado sino que debe cumplir también con el requisito de operación.
Como ejemplo se puede citar el caso de un hotel donde a un huésped lo puede satisfacer
el agua fría y a otro el agua caliente. A aquel que lo satisface el agua fría puede requerir
un caudal alto mientras que al otro lo satisface, simplemente, un caudal de agua bajo
35
siempre y cuando ésta se encuentre a una temperatura acorde o viceversa. ¿Cómo
establecer el balance entre el margen de temperatura y la cantidad de agua requerida?.
Normalmente se adopta la medida de sostener, estadísticamente el mayor margen de
satisfacción.
En el caso donde existe una serie de equipos consumidores (usuarios múltiples),
deben definirse las cantidades y los niveles energéticos requeridos en cada uno de los
consumidores, con el objeto de establecer la capacidad de suministro de la forma más
ajustada. Por lo tanto se necesita incorporar un factor de diversificación el cual permite
establecer la probabilidad simultánea de la demanda.
Al igual que los equipos generadores (o transformadores para cada sistema específico)
los equipos usuarios y los elementos que conforman el sistema de distribución deben
establecer sus requerimientos en las mismas unidades de medida. Téngase en cuenta
que la fuente debe estar en capacidad de suministrar la cantidad demandada por los
usuarios y el margen de pérdidas en los sistemas de distribución.
En la figura 10 se puede observar que, por ejemplo, si el sistema objeto de estudio es el
de aire comprimido, en los equipos usuarios no sólo se requiere de un caudal de aire sino
también que dicho caudal se encuentre a la presión de trabajo del usuario. Es posible
que el consumidor 1 o usuario 1 requiera una presión de 125 psig, el dos y el tres de
50 y así sucesivamente. Por lo tanto se deben balancear las cantidades de aire con los
requisitos de presión. Es posible que se justifique estudiar, si el caudal de aire requerido
por el usuario 1 (el cual está limitando la máxima presión) puede satisfacerse de forma
individual y generar, el aire comprimido para los demás usuarios a una presión de 50
psig.
Figura 10. Requisitos del sistema específico
De forma análoga pueden establecerse estudios semejantes en otro tipo de sistemas
como el de vapor saturado, donde los limitantes son la cantidad de vapor y la temperatura
requerida en los usuarios. En el sistema eléctrico, donde los limitantes son la corriente
y el voltaje de operación o en un sistema de refrigeración, donde se requiere remover
una cantidad de calor y, adicionalmente, se requiere un ambiente a una temperatura
determinada exigida por el proceso usuario del servicio (ejemplo conservación de
productos). Normalmente es más económico generar o transformar al menor requisito
posible.
3.2. Metodologías para la racionalización del consumo energético en servicios
industriales
A continuación se describen una serie de metodologías, relativamente simples, que
pueden dar lugar a una primera aproximación para dimensionar la magnitud de las
Uso eficiente y racional de energía
cantidades susceptibles a racionalizarse en los consumos de energía. Éstas se presentan
para algunos de los principales sistemas de común utilización en nuestro medio.
3.2.1. Sistema de vapor de agua
El vapor de agua es una de las fases en la cuales se encuentra esta molécula (H2O)
conformada por dos átomos de Hidrógeno y uno de Oxígeno. Específicamente es el
estado gaseoso de la misma. En el estado natural el agua es líquida en sitios donde
la temperatura supera los 0 oC a presión atmosférica, sólida cuando está por debajo
de la misma y gaseosa cuando su temperatura supera los 100 oC a una presión de
una atmósfera. También se encuentra en estado gaseoso cuando su presión parcial se
encuentra por debajo de la presión de saturación a la temperatura en la cual se halla
ella en una mezcla de gases (El aire ambiente contiene una cantidad de agua en estado
gaseoso que depende de las condiciones atmosféricas y que se tabula en las cartas
psicrométricas). Ejemplo de lo anterior es el fenómeno de la lluvia puesto que ésta se
origina porque el agua contenida en el aire se condensa (se licua) dado que su presión
parcial en el aire (a la temperatura a la cual se encuentra) consiguió el mismo valor que
la presión de saturación. La fisicoquímica, la termodinámica y las demás disciplinas han
estudiado estos fenómenos para diversidad de moléculas, sustancias, etc.
Normalmente, con el objeto de obtener vapor de agua a partir de su estado líquido, se le
debe suministrar energía calórica o trabajo de expansión (vacío). El contenido de energía
mecánica de un vapor de agua lo cuantifica su exergía, por lo general al suministrársele
energía en forma de calor, adquiere un alto contenido calórico con un relativo contenido
de energía realizable en trabajo (energía mecánica).
El vapor es también considerado un fluido térmico (otra de las tantas virtudes que posee
la molécula H2O) y es utilizado como medio para el transporte de energía dadas sus
características. Cuando se tiene vapor saturado, éste se encuentra en un estado cuya
fase es líquido - gas, una porción se encuentra en la fase gaseosa y la otra en fase líquida
así sea una molécula. Cuando se encuentra totalmente en fase gaseosa se le denomina
vapor sobrecalentado.
En la industria el vapor se genera en equipos denominados calderas. Si se requiere
obtener trabajo o energía eléctrica en una turbina se utiliza vapor sobrecalentado y
los equipos para generarlo se denominan calderas de potencia. En muchos casos, la
operación de las calderas se limita a obtener vapor saturado (vapor en donde existen las
fases líquida y gaseosa) estimándose que, al abandonar éstas, su calidad es cercana
a la unidad (entendiéndose por calidad el cociente entre la masa de gas existente en el
sistema y la masa de gas más la masa de líquido en el mismo).
El vapor se utiliza en los procesos de forma directa cuando está en contacto directo
con la materia prima a procesar, o indirecta, donde no se mezcla con la sustancia que
se procesa. De acuerdo con las necesidades de los equipos consumidores se obtiene
el vapor. Cuando se requiere llevar a cabo un proceso el requisito es la temperatura
a la cual ocurren los cambios en la materia prima a procesar y la cantidad del mismo.
Los equipos que utilizan vapor directo no pueden retornar el condensado, los de vapor
indirecto si lo pueden hacer.
37
En la figura 11 se presenta un esquema simple del flujo de materia y energía asociada del
sistema de vapor en la industria. En ella se observa que existe un elemento generador (o
transformador) que es la caldera, donde se transfiere la energía liberada por la combustión
al agua que ingresa, transformándola en vapor. Posteriormente, el vapor se transporta
mediante ductos a los diferentes usuarios, los cuales pueden utilizarlo de forma directa
(caso del consumidor 1, donde ingresa y posteriormente sale cuando termina el proceso)
o indirecta, donde el material que se procesa no se encuentra en contacto directo con
el flujo de vapor y, por lo tanto, se puede recuperar la totalidad de la masa y la energía
residual en la misma. Lo anterior se denomina recuperación de condensados, dado
que se asume que el vapor cedió su calor latente a la presión del mismo, y la energía
remanente, al igual que la masa, se pueden recuperar.
Figura 11. Sistema de vapor
En la figura 12 se presenta un esquema simplificado de los flujos que ingresan y salen
de una caldera. En ellos se observa que ingresan aire que se mezcla con el combustible
y agua que no se mezcla con ellos. Salen gases producto de la combustión y en el caso
de combustibles sólidos salen cenizas que se retiran por el fondo. Cuando el combustible
es sólido (y en algunas excepciones combustibles líquidos que contienen cenizas) se
requiere instalar un ciclón u otro equipo de limpieza para remover el remanente de las
cenizas contenidas en los gases. A la caldera también ingresa agua que sale en forma de
vapor y sale un pequeño porcentaje, denominado purgas, que depende de la calidad del
agua que se encuentra en el sistema.
Figura 12. Flujos en una caldera
En la tabla 4 se describe el rendimiento (inverso del consumo específico) expresado
como el cociente entre la cantidad de vapor producido en kg y la cantidad de combustible
requerida en kg, m3 y galones para el carbón el gas natural y el ACPM, respectivamente.
También se presenta la eficiencia media de este tipo de equipos.
Uso eficiente y racional de energía
Tabla 4. Rendimiento y eficiencia media en calderas
Las principales medidas de conservación de energía en la caldera, consisten en evitar que
los gases de combustión se evacuen a altas temperaturas y que estos no contengan una
cantidad de aire en exceso que supere el valor recomendado para el tipo de combustible
que se está empleando. También consisten en agregar valor calórico al aire o al agua que
ingresan al sistema, anotándose que se puede agregar contenido calórico precalentando
los mismos con el calor contenido en los gases de combustión o elevando el grado de
retorno de condensado. Es importante mencionar que no es recomendable, para ningún
tipo de gases de combustión, emitirlos a la atmósfera por debajo de los 150 OC, puesto
que pueden originar corrosión en los equipos donde se utilicen.
En la tabla 5 se presenta, para los combustibles más empleados, la relación aire
combustible (Rac) teóricamente necesaria (mínima cantidad de aire requerida para que
la reacción entre los diferentes combustibles y el oxígeno del aire se lleve de forma
completa) obtenida de la estequiometría de las reacciones químicas; el exceso de aire
empíricamente necesario para que la combustión se lleve a cabo de forma completa
(puesto que el contacto íntimo entre el combustible y el aire es limitado al diseño de los
espacios donde se realiza la reacción química); el poder calorífico superior e inferior y la
densidad a condiciones ambientales de presión y temperatura.
Tabla 5. Características de los combustibles empleados
En la figura 13 se habla del porcentaje de la energía contenido en los gases de combustión
en función del porcentaje [%] de oxígeno medido en los gases de combustión en base
seca y de la temperatura de los mismos. De ella se obtiene un estimativo de la economía
que puede conseguirse bien sea ajustando los valores del exceso de aire o disminuyendo
39
la temperatura de los gases de combustión. En la tabla 6 se expone el valor del exceso
de aire con respecto al porcentaje de oxígeno medido en los gases de combustión.
Tabla 6. Cantidad de exceso de aire de los gases a partir del porcentaje de oxígeno
En la figura 13, cuando se realiza una diferencia porcentual en el eje de las ordenadas,
el valor resultante (que da origen a la economía por adoptarse algún tipo de mejora) es
el mismo que se presentaría si la base fuera el poder calorífico superior o el inferior. Es
importante anotar que la medida de la composición de los gases determina el exceso de
aire con el cual está operando el equipo. La medición del porcentaje de O2 se realiza con
equipos destinados para este fin, analizadores de gases de combustión).
Por falta de un mantenimiento adecuado se estima que la temperatura de los gases se
incrementa en un 10 % por incrustaciones de 1 mm de espesor en el área de transferencia
interna o externa de calor. Por lo tanto, es importante deshollinar la caldera con frecuencia
y practicar un mantenimiento adecuado, mínimo anual, con el fin de evitar incrustaciones
en el área de transferencia de calor.
En la figura 13 se puede estimar de forma aproximada la economía debida al efecto
combinado de mantenimiento (deshollinado reduciendo incrustaciones y por lo tanto la
temperatura de los gases) y de operación (regulación del exceso de aire del equipo). Por
ejemplo, si inicialmente los gases de combustión presentaban una lectura de 11% de O2
(relación aire combustible de operación equivalente a 2.1) y una temperatura de 260 OC
ascendiendo de forma vertical en la figura se obtiene una lectura en el eje Y (ordenada)
de 18.5 %. Si una vez realizadas las mejoras se consigue una lectura de 5% de oxígeno
(1.31 kg aire/kg de combustible de relación de operación equivalente al 31 % de exceso
de aire) y la temperatura se reduce a 180 OC se lee, para este punto de forma similar,
8.8%. Por lo tanto el porcentaje de ahorro es del 9.7 del combustible empleado (18.5
– 8.8).
Figura 13. Pérdidas en gases en función del exceso de aire y la temperatura
Con el objeto de aumentar el valor calórico del aire o del agua que ingresan al sistema
se pueden emplear intercambiadores de calor (gases de combustión–aire o gases de
combustión–agua) aumentando la temperatura del aire empleado para la combustión o
del agua que se convertirá en vapor. Con lo anterior se pretende utilizar los gases, a alta
temperatura, provenientes de la caldera. Es importante anotar que si se está generando
vapor a 125 psig los gases de combustión abandonan la caldera por lo menos a 220 OC
Uso eficiente y racional de energía
(40 por encima de la temperatura del vapor saturado que es de 180) y por lo tanto existe
un margen de 70 OC (220–150) para evitar corrosión en los equipos. Este margen se
puede emplear en alguno de los intercambiadores citados con el objeto de recuperar
parte de la energía contenida en los gases de combustión. Lo anterior permite aumentar
la eficiencia del sistema o incrementar la capacidad de producción de vapor del mismo.
Como regla aproximada puede establecerse que por cada 10 OC que se incremente la
temperatura del agua de alimentación a la caldera, la economía es del orden del 2 %
del combustible. Para incrementar dicho valor se requiere de medidas como aumentar
el retorno del condensado o instalar un economizador donde se utilice la energía de los
gases de combustión para precalentar el agua. El aumento del retorno de condensado
tiene la ventaja de evitar el desperdicio de agua y el sobrecosto asociado a ella. Es así
como, en instalaciones donde se pueda incrementar el retorno de condensado (evitándose
el desperdicio de agua) esta alternativa debe considerarse prioritaria y después debe
estudiarse la instalación de un precalentador de aire–gases de combustión.
Puede afirmarse que aproximadamente con un aumento del 10 % en el nivel de retorno
de condensado la economía es del orden del 2% del combustible empleado para
instalaciones que lo retornen a presión atmosférica. Algunas instalaciones pueden estudiar
la posibilidad de retornarlo a mayores presiones incrementándose este porcentaje.
Si se desea estudiar la posibilidad planteada inicialmente de utilizar el margen de 70 OC
existente en los gases de combustión al obtenerse vapor de 125.2 psig, pueden utilizarse
unos valores aproximados de Cp de los gases de combustión de 1.17 (10 % de humedad)
y de 1.09 kJ/kg-OC para el aire húmedo y seco, respectivamente.
Con el objeto de elaborar los balances, si el caso es precalentar el aire de suministro,
la energía ganada por el aire equivale a la cedida por los gases y, por lo tanto, si un
kg de gas cede 70 grados, un kg de aire gana 75 OC. Para el cálculo preliminar de la
economía de combustible debido al precalentamiento del aire de combustión se puede
emplear la figura 13. Una vez se tenga la medición del % de oxígeno de los gases en
un valor adecuado (por ejemplo 5% equivalente a un exceso de aire del 31%) se lee
en las ordenadas un valor de 9 para 220 OC y para el mismo valor de oxígeno se lee, a
150 OC un valor de 6.5. La economía dada por evacuar los gases de combustión a esta
menor temperatura es del orden del 2.5 % del combustible empleado traducida en un
incremento de la temperatura del aire.
Es importante anotar que con el objeto de estimar de forma preliminar el área del
intercambiador de calor requerido para gases de combustión–agua de alimentación, gases
de combustión–aire y agua–agua se pueden asumir unos coeficientes de transferencia
de calor de 35, 17 y 115 W/ m2 - OC, respectivamente.
En la figura 14 se muestra un gráfico que permite establecer inicialmente el porcentaje de
pérdidas por convección y radiación, de acuerdo con la capacidad de la caldera (5000,
1000 y 20000 kg de vapor/hora) y el porcentaje de carga de la misma. Con el objeto de
evaluar de forma más ajustada estos valores se requiere de cálculos más ajustados
que incluyen medir el área y las temperaturas de la pared, etc. En ella se observa, por
ejemplo, que una caldera de una capacidad de 10000 kg/h (10 ton/h) operando al 70%
tendrá unas perdidas del 4.2 % de la energía liberada por el combustible.
41
Figura 14. Porcentaje de pérdidas por radiación convección en calderas
Otro aspecto a considerar es la purga o cantidad de agua que es necesario evacuar de
la caldera, para mantener la calidad de la misma en los niveles de dureza adecuados.
La purga no debe exceder el 4% del agua que ingresa al sistema. Sin embargo, debe
establecerse un balance económico entre el valor de los químicos para tratarla y el valor
del agua de reposición y el de la energía asociada. Un correcto tratamiento del agua evita
incrustaciones.
El vapor se distribuye a los diferentes usuarios por medio de tuberías o redes. La red
de distribución requiere de ductos principales y de una serie de accesorios como codos,
reductores, soportes, anclajes, abrazaderas, válvulas reductoras de presión y de caudal,
válvulas de seguridad, sistema de trampas para evacuación de condensados, etc. Las
velocidades recomendadas en las tuberías son del orden de 15 a 40 m/s, lo anterior
debido a que el vapor es un gas de baja viscosidad y, por lo tanto, las pérdidas de presión
no son muy significativas. Las líneas de retorno de condensado deben diseñarse de tal
forma que la velocidad no supere los 2 m/s. En lo que a la distribución del vapor se refiere
las medidas más comunes que deben adoptarse se presentan a continuación:
Se debe procurar evitar fugas de vapor, pues representan no sólo una pérdida de masa
de agua sino también una pérdida de energía con los costos asociados a ambos. En la
tabla 7 se presentan las pérdidas de vapor (masa de agua) debidas a fugas en el sistema
de distribución, en función de la presión de operación y del diámetro del orificio por el cual
se presenta la fuga.
Tabla 7. Pérdidas de vapor por fugas a través de orificios (kg/h)
Por ejemplo, si la fuga se presenta en un orificio de 2 mm a una presión de 125 psig se
perderán aproximadamente 15.5 kg/h de un vapor el cual tiene una energía asociada de
2665.5 kJ/kg (2770 – 4.18 *25 ) para un total de 41315.3 kJ/h (2665.5 * 15.5).
Si el combustible es gas natural se tendrá que este valor equivale a un gasto de 1.27
m3/h (el poder calorífico es de 46413.5 kJ/kg y la densidad es de 0.7 kg /m3). Dado
que las fugas se presentan durante todo el período en el cual el sistema se encuentra
Uso eficiente y racional de energía
presurizado, estén funcionando o no los equipos, puede estimarse que en una planta con
un margen de operación promedio de 8000 h/año esta fuga equivale anualmente a 124 m3
de agua y a 10174 m3 de gas natural. Si se toma a $ 4000 el metro cúbico de agua tratada
y a $ 450 el m3 de gas, se tendrá un desperdicio de $ 4578000 por concepto del gas y de
496000 por concepto del agua.
Las pérdidas de calor, por cada metro lineal de las tuberías de 1, 2 y 3 pulgadas de
diámetro que transportan vapor sin aislar (o que se encuentran a una diferencia de
temperatura entre el material de la misma y el ambiente no necesariamente transportando
vapor), se presentan en las figuras 15, 16 y 17, respectivamente, y corresponden a la
curva superior. En las figuras también se muestran las pérdidas de calor que tienen lugar
cuando se aíslan las tuberías, con espesores de 1,2 y 3 pulgadas de aislante de una
conductividad térmica de 0.3 W/m-OC. Se observa que las pérdidas se reducen en virtud
de la disminución de la temperatura superficial con aislante a medida que su espesor
se incrementa. La diferencia de temperatura del eje de las abscisas corresponde a la
diferencia entre la superficie sin aislar y el ambiente circundante.
Figura 15. Pérdidas de calor en tuberia de 1 pulgada sin aislar y con diferentes espesores de aislamiento
Figura 16. Pérdidas de calor en tubería de 2 pulgadas sin aislar y con diferentes espesores de
aislamiento
43
Figura 17. Pérdidas de calor en tuberia de 3 pulgadas sin aislar y con diferentes espesores de aislamiento
Por ejemplo, con base en la figura 15, si una tubería de una pulgada sin aislar transporta
vapor saturado de 125 psig (temperatura de 177 OC) y el ambiente se encuentra a 30 OC, se
tendrá una diferencia de 147 OC. Las pérdidas son de 270 wattios por metro de tubería.
Si la tubería tiene 10 metros de longitud serán 2,7 kW. En una hora son de 2,7 kWh y
en un año (8000 h) son de 21600 kWh o equivalentes a 77.8 GJ (gigajoules ) y a 2400
m3 de gas ($ 1077030). Al adicionar una pulgada de aislante el valor de las pérdidas se
sitúa en 200 W/m. Se ahorra el 26% de la energía y del costo asociado a la misma. Debe
entonces estudiarse cuánto cuesta el material aislante con el objeto de evaluar el tiempo
de recuperación de esta inversión.
Para una tubería de 3 pulgadas, considerando las mismas condiciones (vapor saturado
de 125 psig) las pérdidas de energía sin aislamiento son del orden de 750 W/m. Si se
aísla dicha tubería con 3 cm de aislante regular (K=0.03 W/m° K) la dispersión de calor
pasa a ser aproximadamente de 210 y la economía se acerca al 70%. Es importante
anotar que, por razones de seguridad, las tuberías situadas en áreas de circulación (y de
cualquier material sólido) expuestas a temperaturas superiores a 50 °C pueden ocasionar
quemaduras en las personas y por lo tanto deben aislarse por precaución.
Adicionalmente para el anterior ejemplo, por cada metro de tubería de 3 pulgadas sin
aislar, se condensan 1.17 kg/h de vapor aproximadamente. Con la tubería aislada la
condensación se reduce a 0.34 kg/h. Lo anterior indica que las trampas de vapor de la línea
deben evacuar más volumen, el cual podría utilizarse en los equipos consumidores.
Otros aspectos que se deben considerar en el sistema de vapor son:
• Una disminución del 10% en el tiempo de proceso normalmente da lugar a una
disminución del 10 % del vapor requerido.
• Un paso de apertura del 10 % en una válvula (de descarga) origina cerca de un 5 %
de pérdidas del vapor requerido en los equipos de contacto indirecto. Por lo anterior es
importante verificar que las trampas se encuentren en buen estado. Una forma de estimar
si estas se encuentran operando bien es de forma visual, determinando los tiempos de
apertura o la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del condensado.
Las trampas de drenaje en las líneas de distribución presentan incluso porcentajes de
pérdidas más altos. Por tanto debe cuantificarse el costo del mantenimiento frente al
costo de las pérdidas. Normalmente se justifica ampliamente efectuar un correcto plan
de mantenimiento.
Uso eficiente y racional de energía
•
El material que es necesario reprocesar tiene, por lo regular, el mismo requerimiento
de energía que aquel de óptima calidad. De ahí que para los usuarios (equipos
consumidores) deba establecerse el índice de consumo de vapor por unidad de
producto (consumo específico de vapor) con el objeto de cuantificar el gasto realizado
debido al material desechado o al reprocesado. Un 1 % en el incremento de reproceso
(rechazo de producto en una máquina que utiliza vapor) da lugar aproximadamente a
un 1.1 % de incremento en la energía utilizada.
• Un incremento del 1% de eficiencia en la utilización del vapor en generación equivale
aproximadamente a una disminución del 1.25% del combustible requerido.
• Un incremento del 1% de eficiencia en la utilización del vapor requerido da lugar a una
disminución del 1% del agua tratada necesaria.
• En los equipos consumidores que sostienen una temperatura por un tiempo determinado
como es el caso de los equipos de teñido en la industria textil o en los equipos de
cocción (puede ser un recipiente donde se elabora algún tipo de alimento) el consumo
de energía es un 60 % más alto si no se encuentra con tapa el recipiente.
• En los combustibles sólidos, como el carbón, debe procurarse por establecer una
alimentación al hogar de la caldera (verificar la altura del lecho y la velocidad en
calderas de parrilla móvil) de tal forma que el aire requerido para la combustión esté
en contacto con toda la masa de combustible, pues de lo contrario en la ceniza se
presentará una cantidad apreciable de carbón.
• Para todo tipo de combustible, si no se operan las calderas con el exceso de aire
recomendado se presenta CO (monóxido de carbono) en los gases de combustión,
el cual aún puede reaccionar con el oxígeno liberándose energía. Adicionalmente es
un gas nocivo para el hombre. Este parámetro es un indicativo del grado de contacto
entre el aire de combustión (comburente) y el combustible.
• En sistemas que operan seis días a la semana y paran un día (u operan determinado
tiempo y paran otro) debe considerarse que existe una inercia térmica. Esta inercia
consiste en que, una vez se para el sistema y se suspende el suministro, los elementos
estructurales pierden calor en el tiempo hasta el punto en el cual se reinicia el suministro.
Debe, por lo tanto, establecerse un balance en el cual se estipule si es más económico
suspender el suministro y recuperar de nuevo el sistema (llevarlo a la temperatura
de operación) o mantener el suministro con el objeto de sostener las pérdidas por
convección, radiación, fugas, etc. del mismo. Puede utilizarse un Cp de 0.46 kJ/kgOC
para el hierro o el acero y debe tenerse en cuenta que el peso aproximado, de un
metro de tubería de 1, 2 y 3 pulgadas es de 3, 6.7 y 11.2 kg, respectivamente.
3.2.2. Sistema de aire comprimido
El aire, al igual que el agua, es indispensable para la vida del hombre sólo que su valor
no se cuantifica. Esta mezcla de moléculas se encuentra en la naturaleza en un único
estado, el gaseoso. No es posible tener esta mezcla de oxígeno, nitrógeno y, en menor
cantidad sin superar el 0.9%, otros gases como el Argón, de forma líquida, pues cualquier
proceso extremo que se realice sobre él daría lugar a una pérdida de su identidad. Si se
45
somete a altas presiones realizando trabajo mecánico y se le retira calor se condensa
el oxígeno y por consiguiente el gas remanente, no es aire puesto que no contiene un
21% molar (equivalente a porcentaje en volumen) de oxígeno característico del gas que
conocemos y del cual nos alimentamos.
Nota: una persona tiene reservas con el objeto de hallar agua en un tiempo de tres días.
El aire no le puede faltar en un lapso muy corto, menos de un minuto. Es importante
mencionar que el aire tiene un contenido de vapor de agua el cual depende de las
condiciones atmosféricas y este es susceptible a condensarse.
El aire es un fluido al cual normalmente se le otorgan unos atributos de temperatura y
humedad para el confort de las personas o para el secado de materiales y otros procesos.
En otros casos se le suministra energía, en forma de trabajo, con el objeto de someterlo
a un cambio de volumen incrementando su presión y se le retira el calor, derivado del
esfuerzo friccionante entre sus moléculas, con el objeto de transportar energía mecánica
neta que pueda accionar algún tipo de elemento o herramienta. Por lo tanto, así como
el agua es portadora de calor, en esta aplicación, el aire es portador de trabajo (el agua
a altas temperaturas y presiones – en forma de vapor sobrecalentado – también es
portadora de trabajo).
Las principales leyes que rigen el comportamiento del aire, el cual es considerado un
gas ideal a las condiciones de temperatura y presión del ambiente en cualquier lugar
son las Leyes de: los gases ideales, de Gay Lussac, de Boile, de Dalton y la de Charles,
entre otras. Estas leyes están totalmente de acuerdo con los principios básicos de
conservación.
Como se mencionó anteriormente, el aire ambiente contiene una cantidad de agua en
estado gaseoso que depende de las condiciones atmosféricas y que se tabulan en las
cartas psicrométricas. El agua contenida en el aire se condensa cuando su presión
parcial en el aire (a la temperatura a la cual se encuentra) consiguió el mismo valor que
la presión de saturación. Por lo tanto al someterse a presión el aire ambiente y retirársele
calor el agua contenida en él se licúa.
El aire comprimido, a diferencia del vapor el cual es considerado un fluido térmico, es
un fluido capaz de transportar energía potencial convertible en trabajo mecánico, dadas
sus condiciones. Sin embargo, también es considerado como un fluido térmico para
aplicaciones específicas como por ejemplo el secado de materiales.
El sistema de generación de aire comprimido (o transformación de energía mecánica
– electricidad - en energía potencial susceptible a expansión) consta básicamente de: un
compresor que se refrigera con aire o agua, un enfriador, un sistema de evacuación del
agua que se condensa inicialmente contenida en el aire y un tanque amortiguador.
En la tabla 8 se presenta el consumo específico nominal expresado como el cociente
entre la potencia nominal (en caballos de fuerza–hp– o kW) y el volumen nominal de
aire comprimido producido a condiciones estándar por unidad de tiempo (entendiéndose
por condiciones estándar una presión de 14.7 psia, una temperatura de 15.5 OC y una
humedad relativa de 0%). Sus unidades son kW/estándar pies o metros cúbicos/minuto
(kW/scfm ó sm3/min).
Uso eficiente y racional de energía
En Europa las condiciones estándar se refieren al aire a 14.7 pig, 0 oC y una humedad
relativa del 0 %). Por lo tanto, debe exigírsele al fabricante la referencia utilizada en el
catálogo en el cual ofrece el compresor.
Este valor es la referencia con la cual se determina el estado real de operación. Es
importante afirmar que normalmente existe un factor de utilización puesto que la demanda
de aire no es simultánea en los diferentes equipos consumidores. Como norma se utiliza
un factor que oscila entre el 50 y el 70%.
Tabla 8. Consumo específico nominal en compresores.
Para medir la capacidad real de los compresores se puede utilizar un método directo que
consiste en instalar un rotámetro (medidor de flujo) en la descarga o evaluarla por un
método indirecto el cual consiste en partir de que el tanque amortiguador (previamente
cubicado), adyacente al compresor, se encuentre a la presión atmosférica y que la válvula
de suministro de éste al sistema se encuentre cerrada; posteriormente se enciende el
compresor y se toma el tiempo para el cual el tanque alcanza la presión de operación
del sistema. De forma simultánea se registra el voltaje y el amperaje (puede utilizarse
un analizador de redes eléctricas) con el objeto de establecer el consumo de energía
eléctrica en el tiempo de llenado.
El flujo volumétrico entregado por el compresor (asumiéndose que la temperatura
permanece constante) se puede calcular con la siguiente expresión:
Q = (P2-P1) * V *Ts/ (t *T*Ps)
En donde Q es el caudal a condiciones estándar [sm3/min], ( P2-P1) es la diferencia entre
la presión inicial y la final de la prueba, t [min] es el tiempo transcurrido para incrementar
la presión de P1 a P2, T es la temperatura media del aire en la prueba [OK], V [m3] es
el volumen del recipiente más el de la tubería asociada y Ts y Ps son la temperatura y
la presión estándar, es decir, 288.5 OK y 14.7 psi, respectivamente. Con el objeto de
establecerse de forma más aproximada la capacidad se recomienda únicamente tomar
el tiempo correspondiente a una diferencia de presión existente entre el 70 y el 100% de
la presión final de llenado.
Por ejemplo si V = 0.6 m3 , P1 = 80 psig, P2 = 100 psig, T = 294 OK y t = 0.1 min, se
tiene:
Q = ( (100 + 14.7) - (80+14.7)) * 0.6 * 288.5/ (0.1 * 294* 14.7) = 8 sm3/min (282 scfm )
47
Normalmente la capacidad de los compresores y la demanda instantánea de los
diferentes elementos que lo requieren (los usuarios) se expresa en scfm (standard cubic
feet per minute). El caudal también puede expresarse a condiciones actuales, es decir,
el flujo volumétrico a las condiciones de presión, temperatura y humedad relativa del
sitio donde se instala el compresor (acfm – actual cubic feet per minute) o en otro tipo de
condiciones.
En los sistemas de generación se debe estudiar si es rentable, sustituir dos o más
compresores por uno de mayor capacidad o conseguir uno específico para un usuario
en particular, cuyo nivel de presión lo exija, puesto que, la presión de suministro debe
ajustarse al mínimo requerido. Por cada 15% de disminución en la presión de suministro
se economiza el 5% de la energía empleada. Debe procurarse que la admisión de aire
sea del ambiente, con la temperatura más baja posible, ya que que por cada 4 °C de
incremento en la temperatura del aire aspirado se incrementa el consumo de energía un
1 %.
El aire debe filtrarse al ingresar al sistema evitándose que ingresen partículas sólidas, las
cuales pueden causar daños y deterioro en el compresor, en los ductos o en los usuarios.
Las pérdidas de presión en los filtros de succión del sistema de compresión, deben ser
inferior a 0.35 psi. Por cada 0.7 psi de pérdida, de presión en el filtro de la succión,
se reduce en un 1% la capacidad del compresor; por ello se recomienda efectuar un
mantenimiento periódico a los filtros del aire que ingresa al sistema.
Es importante anotar que en sistemas de compresión de aire, alrededor del 94% de la
energía suministrada es susceptible a recuperarse, puesto que ésta se evacua con el
fluido refrigerante de los compresores (aire o agua de enfriamiento) y solamente un 6%
se conserva como energía útil. Por lo tanto, en instalaciones grandes se debe recuperar
y utilizar la energía calórica remanente.
En el sistema de distribución de aire comprimido, al igual que en el sistema de vapor,
las redes de distribución requieren de una serie de accesorios como codos, reductores,
soportes, válvulas reductoras de presión (regulan el caudal) y trampas para evacuación
de condensados, entre otros.
Normalmente las fugas de aire comprimido pueden variar desde un 5 hasta un 40% del
aire producido dependiendo del mantenimiento que se le suministre al sistema. Por lo
tanto debe establecerse un plan de detección y reparación de fugas verificando el estado
de los reductores, trampas, tuberías, etc. También debe verificarse que los actuadores,
los sellos de las válvulas y de los cilindros en máquinas, no presenten defectos. Debe
evaluarse el costo del mantenimiento con respecto al costo de las pérdidas de energía.
Anotándose que las fugas no sólo pueden observarse bajo el punto de vista del costo
de la energía sino como el costo de la inversión que se requeriría para instalar un
nuevo compresor con el objeto de satisfacer las necesidades, es decir, la capacidad
de suministro se incrementa de forma proporcional a la reducción de las fugas, puesto
que ellas “operan” de forma continua sin intervalos de parada. En este sentido, se debe
disponer de una capacidad instalada para satisfacer esta demanda (la de las fugas)
instantánea y continua.
En la tabla 9 se presentan las pérdidas de aire comprimido, en estándar litros por segundo
(sl/s), debido a fugas en el sistema, en función de la presión de operación y del diámetro del
Uso eficiente y racional de energía
orificio por el cual éstas fluyen. Por ejemplo un orificio de 5 mm de diámetro equivalente,
a una presión de 7 barg, perderá 32.5 (estándar litros) sl/s (1.95 sm3/min o 68.9 scfm).
Es así como un compresor, de 1000 scfm, tendrá del orden del 7% de su capacidad
instalada al servicio de este usuario. De la tabla 8, si el consumo específico nominal es
de 5.5 kW/sm3/min la potencia requerida, para suplir esta demanda innecesaria, es de
10.7 kW, la cual, en 8000 horas de operación al año, representa 85600 kWh que a razón
de $ 250 suman 21.4 millones de pesos. Adicionalmente ¿cuánto cuesta el 7 % de la
capacidad de generación?
Tabla 9. Pérdidas de aire comprimido por fugas a través de orificios. (estándar litros por segundo - sl/s)
Cuando se quiera realizar la medición de las fugas se debe suspender el consumo de
todos los usuarios (verificar que los usuarios no estén demandando aire, lo cual es
equivalente a parar los sistemas productivos). El primer método aproximado consiste
en presurizar el tanque y las líneas de suministro (las cuales se utilizan en este tipo
de sistemas como tanque alternativo). Una vez se encuentra el sistema presurizado se
suspende el suministro (se apaga el compresor) y se toma el tiempo en el cual la presión
disminuye un 20 %. El segundo método consiste en no detener el suministro, suspender
la demanda en los usuarios y establecer con mediciones de las variables eléctricas la
cantidad de energía consumida en un lapso de tiempo determinado.
En el primer método se puede aplicar la misma fórmula descrita para obtener la capacidad
de suministro, teniendo en cuenta que la presión decrece. En el segundo método se debe
conocer la capacidad de suministro del compresor.
Para el ejemplo que se presentó inicialmente, donde la capacidad de suministro era de 8
sm3/min, si el tiempo de reducción de la presión es de 1 minuto y el volumen del tanque
más la tubería es de 0.75 m3; se tendrá (aplicando la misma ecuación) que las fugas son
de un 1 sm3/min o sea el 12.5% de la capacidad de suministro.
Como normas recomendadas no debe existir una pérdida de presión, debida a la fricción
en la tubería y a los accesorios, superior al 5% entre el sitio donde se genera el aire
comprimido y los usuarios más lejanos. La velocidad del aire en las tuberías principales
debe situarse entre 5 y 10 m/s y en los ramales secundarios se admiten hasta 15 m/s.
Es importante anotar que debe establecerse en cada usuario, al igual que en el sistema
de vapor, el índice del consumo específico de energía (o de metros cúbicos de aire por
unidad de producto) con el objeto de cuantificar el gasto realizado debido al material
procesado en cada equipo.
49
3.2.3. Sistema de agua de enfriamiento
El sistema de agua de enfriamiento tiene por objeto suministrar a diferentes usuarios
agua a una temperatura que permita retirar calor de los procesos. El equipo generador
es conocido como la torre de enfriamiento. A ella le debe llegar agua a una temperatura
que no exceda los 40 OC y se caracteriza por reducir, esta temperatura aproximadamente
entre 5 y 15 OC (este rango se denomina el salto de la torre). Si el agua ingresa a una
temperatura menor la torre puede estar en capacidad de incrementar el flujo de agua
de enfriamiento. El agua fría sale de la torre, se distribuye a los diferentes usuarios
(intercambiadores de calor, compresores, etc) y retorna (con una temperatura mayor) por
tuberías. Se define también un parámetro de operación, el cual es la aproximación de la
torre, se especifica como la diferencia existente entre la temperatura del aire ambiente
y la temperatura que se mide en la interfase existente entre el aire y el agua que está
evaporando (ver un diagrama psicrométrico), es decir, la temperatura de bulbo húmedo
(Tb), la cual depende de la humedad relativa del ambiente y siempre es menor que la
temperatura del aire ambiente siempre y cuando la humedad relativa sea menor que el
100%.
La eficiencia (Ef) de las torres de enfriamiento se establece por la siguiente ecuación,
donde (T1 – T2 ) es la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del agua
(el salto de la torre) y ( T1 – Tb ) es la diferencia entre la temperatura de entrada y la
temperatura de bulbo húmedo.
Ef = (T1 – T2 ) / ( T1 – Tb )
Normalmente estos equipos operan en un rango de eficiencia (Ef ) que oscila entre el
50 y el 70 % . Son equipos en los cuales la operación se afecta apreciablemente por las
condiciones atmosféricas, puesto que el aire ambiente evapora agua y si este se encuentra
saturado (100% de humedad relativa) no puede hacerlo, limitándose a intercambiar calor
sensible (ver definición operacional de términos). La definición de eficiencia de la ecuación
tiene implícita una connotación de transferencia de calor y de masa simultáneamente y,
por lo tanto, no refleja totalmente una eficiencia de tipo termodinámico.
Otro parámetro importante que permite establecer una idea del funcionamiento de una
torre de enfriamiento es la aproximación existente entre el agua a la salida y la temperatura
de bulbo húmedo. Cuando la humedad relativa del ambiente es del 70% se acepta un
valor de 5 a 6 OC de diferencia entre ambas, es decir, T2 – Tb = 6.
El porcentaje de agua evaporada con el cual opera este tipo de equipos es del orden del
0.5 al 2%, dependiendo de las condiciones atmosféricas.
Las principales medidas de conservación de energía en este sistema (al igual que en
todos) radican en la dinámica existente entre los diferentes usuarios y el equipo generador.
No obstante lo anterior, en este sistema, las medidas que se adopten con el objeto de
racionalizar el consumo en las torres de enfriamiento conllevan a una economía de la
energía eléctrica transformada en energía cinética en los ventiladores que impulsan el
aire para retirar el calor del agua y en los equipos de bombeo existentes para circular el
agua a través de todo el sistema. Debe procurarse por balancear la totalidad del sistema
con el objeto de que a la torre de enfriamiento ingrese el agua a la temperatura de diseño.
Por lo tanto, la economía en este tipo de sistemas está relacionada con el manejo del
agua y el aire, esto no quiere decir que no se pueda conseguir una economía adicional
Uso eficiente y racional de energía
si se efectúa una mejora en algún usuario asociada a la fuente que generó la energía
térmica que se está intercambiando en el mismo.
Con base en lo anterior puede afirmarse que las medidas que se pueden adoptar son de
un carácter múltiple (economía en energía para el manejo del agua -y de agua-, del aire
y de la energía térmica repesentada en combustibles). En general es preferible utilizar
el agua caliente, proveniente de un usuario, para fines térmicos en instalaciones donde
se requieran ambas, estudiando cada caso en particular. En instalaciones donde no se
requiera energía térmica, la economía se presenta en bombeo y ventilación, por ejemplo
instalaciones intensivas en uso de aire comprimido, aire acondicionado, entre otras.
Debe procurarse efectuar un estricto control de la temperatura del agua que ingresa a
la torre de enfriamiento y de la que sale. En algunos casos es probable que los usuarios
no estén demandando este servicio y la torre continua operando sin efectuar un trabajo
calórico útil, incrementándose la evaporación del agua y por consiguiente el consumo
innecesario de agua de reposición con un consumo de energía también innecesario.
Como norma general, las velocidades en los ductos, para los sistemas de aguas, deben
situarse entre 1 y 2 m/s.
Las principales medidas que se pueden adoptar en las torres de enfriamiento se sitúan en
el correcto mantenimiento de las mismas, evitándose que el contacto superficial entre el
agua y el aire se disminuya. Por lo tanto, debe verificarse que los elementos que propician
el debido contacto (entre el agua y el aire); o sea, el relleno de la torre y sus conductos
no estén defectuosos ni presenten rotura. Es importante anotar que las obstrucciones se
presentan por motivos tales como incrustaciones (debe efectuarse tratamiento de agua
al sistema), por desgaste estructural, etc.
3.2.4. Sistema de aguas
Básicamente este sistema consta de equipos de bombeo y distribución por tuberías a
los diferentes usuarios. En instalaciones grandes, el agua una vez se utiliza, pasa a una
planta de tratamiento con el objeto de removerle las impurezas y retornarla de nuevo
para ser bombeada a los usuarios.
Las principales medidas de conservación de energía están íntimamente relacionadas
con la cantidad de agua que se maneja en el sistema (economizar agua equivale de
forma biunívoca a economizar energía en su manejo) y en la forma como se maneja esta
cantidad. En la tabla 10 se presentan las pérdidas de presión en metros (m) (por cada
100 metros lineales de tubería) para diferentes diámetros de la misma, dependiendo del
caudal (galones/min ) con el cual se está operando el sistema. También se presenta la
potencia requerida en bombeo anotándose que la eficiencia se asume del 60%
La lectura de la tabla se interpreta así: Para un caudal de 100 gal/min (fluyendo por una
tubería de tres pulgadas de diámetro, las pérdidas de cabeza son de 3.03 m y, por lo
tanto, la potencia requerida es de 311 watios [W] así:
Potencia [W] = caudal [m3/s] * densidad [kg/m3] * aceleración de la gravedad [m/s2]
(la cual es una constante igual a 9.8) * las pérdidas [m]/eficiencia de conversión de la
bomba. Entonces el caudal es de 100 gal/min (0.0063 m3/s), la densidad es de 1000 kg/
51
Tabla 10. Perdidas en bombeo de agua y potencia requerida por cada 100 m lineales de ducto
(Rugosidad 0,1 mm)
m3 y las pérdidas de 3.03 m (obtenidos de la tabla) lo cual es: 0.0063*1000*9.8*3.03m
dando lugar a 187 W (Vatios) de pérdidas. Entonces la potencia requerida en la bomba
asumiéndose una eficiencia del 60 % es de 311 W (187/0.6). En la figura 18 se muestra
el logaritmo de la potencia hidráulica requerida en función del diámetro de la tubería y del
caudal para 100 m de longitud equivalente. Esta figura es la representación gráfica de los
valores que se presentan en la tabla 10, anotándose que los valores corresponden a una
tubería prácticamente nueva con una rugosidad de 0,1 mm y que por un incremento del
100% en la rugosidad, la potencia se incrementa aproximadamente en un 25%.
Figura 18. Potencia hidráulica en 100 m de longitud equivalente
Por ejemplo, si se tiene un caudal de 120 gpm (galones por minuto), para una tubería de
3 pulgadas se lee un valor de log (potencia) de -0.5. Por lo tanto la potencia es 10-0.5 o sea
0.32 kW/100m de longitud equivalente. Si la longitud total equivalente es de 150 m la potencia
hidráulica requerida es de 0.48 kW (0.32/100*150). Y si la eficiencia de transformación de
la potencia eléctrica en hidráulica es del 60% se tendrá que la bomba debe requerir por
lo menos 0.8 kW (0.48/0.6). La figura 18 es valida únicamente cuando el fluido es agua,
puesto que los cálculos dependen de la viscosidad y de la densidad. En el caso de otros
fluidos es necesario elaborar nuevas curvas.
Es importante anotar que el concepto de longitud equivalente no se refiere únicamente
a la longitud de la tubería, pues para hallar las pérdidas en accesorios de la tubería
(válvulas, codos, etc), también se utiliza el concepto de longitud equivalente y por lo tanto
un metro de tubería equivale a un metro equivalente pero un codo de 90O puede referirse
al metro equivalente de tubería con el objeto de calcular las pérdidas por fricción.
Uso eficiente y racional de energía
En la figura 19 se presentan las longitudes equivalentes para una serie de accesorios.
Con base en lo anterior, para el ejemplo, si la tubería de 3 pulgadas, tiene diez codos
de 90O, se tendrá una longitud equivalente de tubería de 162.2 metros (150 de la tubería
más 2.2/ codo*10). Puesto que en la figura 19 se observa que, para un diámetro de 3
pulgadas y para un codo de 90O, la lectura en el eje de las ordenadas es de 2.2 m. En
este caso la potencia hidráulica requerida para un caudal de 120 gpm es de 0.52 kW
(0.32/100*162.2) y la potencia requerida en la bomba es de 0.87 kW (0.52/0.6). Nótese
que es la misma lectura en la figura 18 pero el resultado final se afecta por el valor
obtenido en la figura 19.
Figura 19. Longitudes equivalentes de accesorios comunes
Si adicionalmente se requiere que al caudal de agua (120 gpm) se le incremente una
cota de 10 metros la potencia necesaria para suministrar, en el tiempo requerido, esta
energía potencial al agua es de 741 W (120 gal/ minuto *3.785 litros/gal * minuto/60 s *
1000 m3/litro * 1000 kg/m3 * 9.8 m/s2 * 10 m). Por lo tanto la potencia requerida es de 2.1
kW (0.741 + 0.52)/0.6.
En la figura 20 se presenta el porcentaje de la potencia requerida, para un sistema que no
posee un variador de velocidad y para aquel que si lo tiene, en función del porcentaje del
caudal con el cual está operando. Los sistemas que no poseen un variador de velocidad
se caracterizan por regular el flujo mediante restricciones como el cierre de una válvula.
Lo anterior conlleva a que la bomba cambia caudal por cabeza de presión (pérdidas
por fricción en el elemento que restringe el flujo). Es preferible, bajo el punto de vista
energético, disminuir el caudal desde la fuente y no por intermedio de elementos que lo
restrinjan.
Figura 20. Potencia requerida con y sin variador de velocidad
53
Si una bomba requiere en un sistema 5 kW con el objeto de superar las pérdidas por
fricción de los diferentes elementos (tubería más accesorios) con un caudal nominal de
100 gpm (22.7 m3/h) y está operando a 75 gpm (75 % del caudal nominal), la potencia
que demanda, sin variador de velocidad, es del orden de 4.7 kW (resultante de la lectura
del eje Y de un valor de 94% de la potencia, para un 75 % del caudal en el eje X). Si
se le instala un variador de velocidad la lectura corresponde al 58 % de la potencia,
equivalente a 2.9 kW. Entonces la economía es del 38 % de la energía por el tiempo de
operación. Si se opera durante un intervalo de una hora la economía es de 1.8 kWh (4.72.9 kW * 1 h).
Es importante anotar que para instalar un variador de velocidad se debe evaluar el caudal
promedio en un tiempo determinado con el objeto de calcular la desviación que este
presenta con respecto al nominal y así estimar el tiempo de recuperación de la inversión.
En el ejemplo anterior, si el promedio es de 75 gpm, instalar un variador de velocidad
economizaría 11302 kWh/año (1.8 kWh * 21 h/día * 26 días/mes * 11.5 meses/año)
equivalente a dos millones seiscientos mil pesos (200 $/kWh).
Es importante anotar que la figura 20 no sólo es válida para sistemas de bombeo sino
también para sistemas de ventilación donde se maneja aire. Por ejemplo, en las calderas
que no están operando a la capacidad nominal y regulan el flujo de aire con compuertas
debido a que el exceso de aire ( % O2) no debe superar un valor límite, se debe considerar
instalar este tipo de elemento.
3.2.5. Sistemas de refrigeración, aire acondicionado y bombas de calor
El término refrigeración es muy amplio. En general se utiliza con el objeto de especificar que
a un elemento se le está retirando calor, por ejemplo refrigerar (enfriar) un compresor con
aire o con agua. Sin embargo, el término refrigerar normalmente tiene una connotación más
explicita y se refiere a obtener temperaturas más bajas que la del ambiente circundante.
En la naturaleza se pueden obtener temperaturas superiores al ambiente circundante de
forma cuasiespontánea; no obstante, generar temperaturas inferiores requiere de calor
o trabajo, para lo cual también se requiere de una combinación secuencial (un arreglo
funcional) de diferentes elementos (o equipos) donde se lleven a cabo los procesos
termodinámicos con el objeto de obtener las temperaturas requeridas.
El 95 % de la refrigeración se obtiene por el sistema denominado compresión el cual
consiste en suministrar energía eléctrica (o trabajo) a un compresor, que eleva la presión
y por ende la temperatura de un fluido refrigerante (o fluido térmico con la propiedad de
condensarse a temperaturas levemente superiores a la del ambiente circundante) en
estado gaseoso de forma isoentrópica. Posteriormente pasa a un equipo denominado
condensador donde se le remueve el calor sensible y latente de forma isobárica. El
condensador recibe refrigerante gaseoso a alta presión y alta temperatura y lo entrega
líquido a alta presión y a una temperatura levemente superior al ambiente. Del condensador
el fluido refrigerante frío (líquido) continúa hacia una válvula de expansión donde se
expande (disminuye la presión y la temperatura) de forma isoentálpica, obteniéndose
temperaturas bajas, e ingresando al evaporador en estado prácticamente líquido (puede
existir en algunos casos un 10 % de gas) donde gana calor de forma isobárica retirándolo
de los alrededores (puede ser un recinto que debe permanecer a bajas temperaturas
con el fin de conservar alimentos, etc) convirtiéndose nuevamente en gas que ingresa al
Uso eficiente y racional de energía
compresor cerrando el ciclo termodinámico. Se puede observar que con el empleo de
trabajo se pueden obtener temperaturas más bajas que aquellas del ambiente circundante.
El calor evacuado en el condensador normalmente se envía al ambiente.
En la figura 21 se presenta de forma esquemática los componentes de este ciclo.
Figura 21. Sistema de refrigeración
La capacidad de un sistema de refrigeración, normalmente se expresa en toneladas de
refrigeración (TON) o en Btu/h (una tonelada de refrigeración equivale a retirar 12000
Btu cada hora o sea 3.51 kW). Este valor es la cantidad de calor que puede evacuar el
sistema de la fuente de la cual proviene.
El rendimiento para este tipo de sistema de refrigeración está definido como el cociente
entre la energía ganada por el refrigerante (o sea la cantidad de calor retirada en el
evaporador) y el trabajo – energía eléctrica - que se requirió para este efecto (suministrada
al compresor).
El balance de energía establece que el calor que entra más el trabajo, equivale al calor
que sale. El rendimiento (COP) de un sistema de refrigeración esta definido como:
COP = QL / W
En donde QL es el calor total retirado en el evaporador (la suma del retirado en cada
usuario, o sea, en cada evaporador) y W es el trabajo (energía eléctrica en el compresor)
necesario para retirar dicho calor.
El COP ideal está determinado por la eficiencia de Carnot y está establecido así:
COP ideal = Tevap / (Tcond. – Tevap)
En donde Tevap, Tcon son las temperaturas en el evaporador y en el condensador,
respectivamente, y deben expresarse en OK (Si la lectura se efectúa en grados centígrados
debe adicionarse 273, es decir, OC + 273 = OK).
Por ejemplo si las temperaturas de condensación y de evaporación del fluido refrigerante
son 30 y –6 OC, respectivamente, se tendrá que el COP ideal del sistema es de 7.42,
así:
COP ideal = (-6+273)/((30+273)- (-6+273)) = 7.42
55
Debe cumplirse que el COP ideal sea mayor al COP real, puesto que así lo establecen
las leyes de la termodinámica (máquina de Carnot).
Nótese que si se aumenta la presión de operación del refrigerante hasta el punto en el
cual éste se evapora -4 OC, el COP ideal calculado es de 7.91, indicando que por cada
7.91 unidades de energía removidas en este equipo (el evaporador) se requiere una de
trabajo eléctrico en el compresor. Lo cual es equivalente a una economía del orden del
6.5 % del trabajo requerido.
Los equipos comerciales, para este tipo de arreglo, poseen COP nominales aceptables
del orden de 3 a 5. Sin embargo, dependiendo del orden de las temperaturas estos
valores pueden ser más bajos.
En la figura 21 se puede observar que a los diferentes usuarios les ingresa una carga
calórica Q1, Q2, etc. La carga total del sistema es la suma de todas las cargas individuales.
El COP debe calcularse con base en el total del calor removido y el total del consumo de
los compresores (puede existir más de un compresor).
En la figura 22 se presenta la situación de un usuario (evaporador). El refrigerante ingresa
en estado líquido con una fracción de gas y sale como gas. La carga térmica puede ser
de varios tipos. En el caso de cuartos de refrigeración se origina por la ganancia de calor
de los alrededores, apertura de las puertas, ingreso de material que requiere refrigerarse,
etc. En el caso de requerir refrigerar otro fluido para su posterior uso, la carga térmica la
determina la cantidad de calor que se le debe remover a éste.
Figura 22. Flujos en un evaporador
El balance de energía establece que el calor que ingresa (QL) por unidad de tiempo
equivale al calor ganado por el flujo de refrigerante, o sea, al cambio de entalpía del
mismo (h2 – h1). Estas entalpías se encuentran tabuladas para cada refrigerante y son
función de la presión y la temperatura, anotándose que cuando existe un cambio de
estado la temperatura permanece constante para una sustancia pura.
Los principales índices que se emplean en los programas de uso racional de energía en
este tipo de equipos (evaporadores) son kg de refrigerante/kg producto, ton refrigeración/
ton producto, kW removidos en el evaporador/ton producto, kW en compresor/ton
producto, etc. Estos índices permiten cuantificar el costo asociado con el producto por
concepto de refrigeración y permiten cuantificar la economía de las mejoras. Es importante
mencionar que en los equipos auxiliares, como ventiladores y/o bombas empleados en
los condensadores, se necesita del 4 al 8 % de la potencia requerida en el compresor.
Uso eficiente y racional de energía
Los balances en los condensadores se establecen de forma análoga a aquellos en los
evaporadores.
Cuando el objetivo es adicionar calor a un recinto o a un fluido el ciclo es el mismo. Sin
embargo, se debe tener presente que el evaporador opera con base en las condiciones
ambientales. El compresor eleva la temperatura del fluido refrigerante (térmico) y
el condensador remueve este calor con el objeto de satisfacer una necesidad de
calefacción. La válvula de expansión se encarga de enfriar el fluido líquido proveniente
del condensador, enviándolo al evaporador donde cambia al estado gaseoso con el calor
proveniente de la fuente fría (el ambiente).
El ciclo anterior se conoce como una bomba de calor y su COP ideal se define como:
COP ideal = Tcond/(Tcond – Tevap)
Para el mismo ejemplo donde la temperatura de evaporación (el ambiente se encuentra
a una temperatura levemente inferior) de - 6 y la de condensación es de 30 OC (la cual
es levemente superior a la del recinto que se desea calentar) se tendrá un COP ideal de
la bomba de calor de 8.42, indicando que el calor entregado por el condensador equivale
a 8.4 veces el trabajo realizado en el compresor. Las unidades comerciales tienen un
COP entre 3 y 5.
Existen también unidades de refrigeración que operan por el sistema de absorción en
donde el trabajo realizado por el compresor se remplaza por un sistema que opera con un
combustible. El COP de estos sistemas se define de igual forma que el de un sistema de
compresión y es el cociente entre el calor retirado en el evaporador y el calor suministrado
por el combustible. El COP de este tipo de sistemas se encuentra entre 0.5 y 1.5.
Las principales recomendaciones con el objeto de racionalizar el consumo de energía en
unidades de refrigeración son:
•
Controlar la temperaturas del evaporador y del condensador (por consiguiente las
presiones de operación del sistema) con el objeto de que no se encuentren por debajo
ni por encima de los requerimientos. En este tipo de sistemas una reducción del 1.5
% en la presión de descarga o de aumento en la succión del compresor equivale,
aproximadamente, a un 1% de disminución en el consumo de energía eléctrica.
•
Los sistemas de refrigeración y acondicionamiento de aire se relacionan directamente
con las condiciones del ambiente. Por lo tanto, es necesario instalar sistemas de
control que permitan establecer los requisitos de las cargas térmicas, con el propósito
de regular las presiones de operación dependiendo de la temperatura del medio.
•
Aislar las tuberías que transportan el refrigerante líquido a bajas temperaturas, puesto
que de lo contrario se genera un aumento en la temperatura del refrigerante y, por
consiguiente, una disminución en la eficiencia de los equipos. Se recomienda aislar
dichas tuberías con el fin de conservar el frío de la mejor manera posible.
•
Procurar que el aislamiento de los usuarios se encuentre en buen estado con el objeto
de recibir la mínima carga térmica del ambiente.
57
•
En el caso de cuartos donde se requiera almacenar alimentos de consumo se debe
procurar abrir las puertas de forma programada con el objeto de evitar el ingreso de
aire a temperatura ambiente.
•
Las principales recomendaciones para racionalizar el consumo de energía en
unidades de aire acondicionado son semejantes a las de refrigeración. No obstante
lo anterior, se debe procurar, en este tipo de sistemas, evitar la apertura de ventanas
y de infiltraciones del aire ambiente y revisar que los empaques y los aislamientos se
encuentren en buen estado.
•
En general debe procurarse un buen mantenimiento de los diferentes elementos que
constituyen los sistemas.
•
En los sistemas de aire acondicionado se estima que por cada 1OC que se aumente la
temperatura del recinto acondicionado se economiza el 8 % de la energía requerida.
Por lo tanto debe ejercerse un control en la temperatura de confort. Adicionalmente,
debe evitarse que el sistema se encuentre en operación en horas donde éste no se
requiera.
•
Al igual que en el sistema de vapor debe establecerse, tanto en los cuartos refrigerados
o en los sitios con aire acondicionado, un balance para verificar si es más económico
suspender el suministro y recuperar de nuevo el sistema (llevarlo a la temperatura de
operación) o mantener el suministro, con el objeto de sostener las ganancias de calor
por convección, radiación, infiltraciones, etc.
•
Las anteriores recomendaciones son aplicables también a los sistemas de calefacción,
puesto que en refrigeración y aire acondicionado se evita el ingreso de calor y en los
sistemas de calefacción se evita su evacuación.
3.3. Metodologías para la racionalización del consumo energético en equipos
especiales
3.3.1. Hornos
La temperatura es la forma como se mide el grado de agitación molecular de la materia.
Si se parte de un material en estado sólido al cual se le suministra energía calórica,
la actividad molecular se incrementa hasta el punto donde se comienza a licuar. Si se
continua suministrando energía calórica la temperatura no se incrementa (si la presión
permanece constante) hasta que todo el material se encuentra en estado líquido. De
forma análoga le ocurre al líquido hasta que se convierte en gas. Dependiendo de la
naturaleza del material al cual se le adiciona energía calórica, éste puede estar constituido
por una diversidad de moléculas que se pueden desprender dado el nivel de agitación,
en algunos casos rompiendo los enlaces que las sostienen, en otros convirtiéndose en
moléculas diferentes a la original debido a las reacciones químicas que se presentan, o
si se encuentran mezcladas se pueden separar en sus componentes originales.
Para llevar a cabo estos procesos se requiere de un horno. Ejemplo de este tipo de
equipos son los altos hornos metalúrgicos donde la temperatura máxima requerida es
del orden de los 1500 OC, de cocción de refractarios de alta alúmina (1300 a 1400 OC),
de ladrillos para la construcción (1000 a 1100 OC) y de cocción de alimentos –galletas,
panes, carnes, pescados, etc., donde se requiere menor temperatura (150 a 250 OC).
Uso eficiente y racional de energía
Este tipo de equipos se caracterizan por utilizar energía calórica, la cual transforma una
materia prima en un producto. Existen de gran diversidad de tamaño, desde el horno de
la estufa en un hogar de familia donde se elaboran alimentos, hasta los grandes hornos
donde se produce en serie acero para la construcción, material cerámico, clinquer para
cemento, aluminio para diversos usos, etc. En todos ellos, la temperatura de operación y
el tiempo al cual se somete la materia prima, son las variables más importantes.
Como se puede observar, la temperatura a la cual se somete la materia prima es un
factor determinante. No obstante lo anterior, es importante también el tiempo en el cual
permanece el material que se procesa a determinada temperatura y la velocidad con
que recibe el calor necesario para incrementar la misma. Por lo regular la elaboración
de un producto requiere de una fórmula (receta), bien sea de la proporción en las cuales
se deben adicionar las materias primas o de la forma en la cual se debe tratar esta
combinación en el tiempo (curva de temperatura).
Los hornos comunes se clasifican, de acuerdo con su operación, en continuos y
discontinuos, y existen algunos casos especiales en donde son semicontinuos. En los
hornos continuos la materia prima, la energía y el producto final entran y salen del equipo
de forma constante en el tiempo. Las diferentes etapas requeridas para transformar la
materia prima se presentan en el sitio por donde ella está circulando y por consiguiente la
curva de temperatura vs. tiempo se establece según la posición en la cual se encuentra la
misma. En los hornos discontinuos, la materia prima se introduce en una misma posición
y se le suministra energía calórica con una intensidad de acuerdo con el tiempo requerido
para efectuar el proceso; finalmente se suspende el suministro de energía y se retira el
producto cuando éste se encuentra a una temperatura levemente superior al ambiente.
Estos equipos pueden operar con cualquier tipo de suministro de energía calórica
(combustibles, energía eléctrica, energía solar, etc) siempre y cuando las temperaturas
se puedan lograr y exista un margen económico.
En los hornos discontinuos no es posible recuperar la energía colórica que se le suministró
para el mismo efecto, a no ser que exista otro (u otros) horno(s) a los cuales pueda
ingresar ésta.
Los combustibles normalmente al combinarse con el oxígeno liberan energía obteniéndose
gases a una temperatura de llama del orden de los 1800 OC (a un 30 % de exceso de aire).
Por lo tanto, si la temperatura máxima de operación del horno es de 1400 grados, los
gases saldrán a 1500; lo cual da lugar a una pérdida de energía alta. Por consiguiente
estos gases tienen que precalentar el aire o la materia prima que ingresa con el objeto
de recuperar la energía calórica asociada.
Con el objeto de elaborar un producto en un horno, a éste le ingresan materiales a
transformarse (crudos) y salen materiales transformados (cocidos). Dependiendo del
material, se requiere que éste se descomponga, a una temperatura determinada y por
lo tanto la eficiencia se debe calcular como el cociente entre la energía necesaria de las
reacciones químicas que se presentan y el calor aportado por la fuente. Por ejemplo en
un horno cerámico, totalmente abierto y que opera por tandas, su eficiencia no supera el
10 %. Un horno cerámico que opera de forma continua, precalentando el aire que ingresa
a expensas de enfriar la obra cocida puede alcanzar valores del 45 % o superiores.
Normalmente en los hornos y en los secaderos, el término de eficiencia presenta una
alta dependencia del tipo de operación (continua o por tandas). En los hornos por tandas
59
(donde no es posible recuperar el calor de enfriamiento del producto elaborado) su
eficiencia no supera el 10 % y en los continuos se pueden alcanzar, en ciertos casos,
eficiencias del 85 al 90 %.
Es importante advertir que el término de rendimiento, el cual se define como el cociente
entre la unidad producida y la unidad de energía requerida (equivalente al inverso del
consumo específico) es importante para poder evaluar el desempeño de una instalación
existente. Los hornos (al igual que la mayoría de todos los equipos que operan con energía
térmica) se diseñan con el objeto de operar al 100 % de la carga (carga de operación/
carga de diseño*100). En la figura 23 se presenta el porcentaje del rendimiento (Cociente
entre el rendimiento de operación -Carga de operación/consumo de energía a carga de
operación- y el rendimiento a máxima operación -carga máxima de operación/consumo
de energía a carga de máxima operación-*100) en función del porcentaje de carga. En
ella se observa que si un horno se diseñó para producir 100 kilogramos y solamente esta
produciendo 60, su consumo de energía para producir los mismos 100 kilos, es un 30
% más elevado (rendimiento del 70 %). En términos generales puede observarse que si
se efectúa una mejora al horno, ésta es válida para cualquier porcentaje de carga y por
consiguiente el rendimiento relativo aumenta. Entonces la figura 23 continúa expresando
de forma aproximada el porcentaje del consumo en función del porcentaje de carga,
incluida la mejora.
Los combustibles normalmente (a un 30 % de exceso de aire) al combinarse con el
oxígeno liberan energía, generando gases a una temperatura de llama cercana a los
1900 OC. Por lo tanto si la temperatura de operación del horno es de 1400 grados los
gases saldrán a 1500 OC lo cual da lugar a una pérdida alta de energía. Por consiguiente,
estos gases pueden aprovecharse para precalentar el aire o la materia prima que ingresa
y así recuperar la energía calórica asociada.
La curva que se presenta en la figura 23 es estadísticamente válida para hornos continuos
o discontinuos. Normalmente la energía requerida en las transformaciones químicas para
la elaboración de productos no supera el 11% y la restante es susceptible a recuperarse
puesto que no se transformó en energía de enlaces. También puede establecerse,
estadísticamente, que las pérdidas al fuego (masa de gas que se escapa a la atmósfera)
son del mismo orden (11 %), exceptuando el contenido de agua evaporada. En los hornos
continuos, donde se recupera cerca del 60 % de la energía calórica suministrada, el
consumo específico es inferior en este mismo porcentaje aproximadamente.
Figura 23. Porcentaje del rendimiento en función del porcentaje de carga en hornos
Uso eficiente y racional de energía
Por ello se recomienda emplear hornos de operación continua y efectuar el balance
económico, con el fin de sustituir hornos de operación por tandas, con los cuales cada
que se carga la obra cruda, el combustible debe efectuar el trabajo calórico de calentar
de nuevo los elementos constituyentes del horno y que es difícil precalentar la carga
cruda con el calor sensible de enfriamiento de la obra cocida.
Por cada 40 OC que se disminuya la temperatura de los gases (precalentando la materia
prima o el aire de combustión) se incrementa el rendimiento en un 2 %.
Debe evitarse, en los hornos discontinuos, tiempos prolongados entre el cargue y
descargue de los mismos, puesto que el calor remanente en sus estructuras requiere ser
adicionado de nuevo.
Así mismo debe procurarse porque los soportes que contienen el material a procesarse
sean livianos en contenido energético (baja densidad, baja capacidad calorífica) y de la
suficiente resistencia mecánica y térmica para que no se deformen cuando se someten
a altas temperaturas.
Los hornos continuos deben operarse de tal forma que las presiones internas (en especial
en las áreas de mayor temperatura) se encuentren cercanas a la atmosférica, con el
objeto de evitar infiltraciones de aire a temperatura ambiente o salida de gases a alta
temperatura hacia los alrededores. Por cada pulgada de agua de diferencia de presión
positiva entre el interior del horno operando a 1200 OC y el ambiente a 30 OC salen,
aproximadamente por un orificio de 10 cm de diámetro, 20 kW. Si la temperatura al
interior es de 300 OC las pérdidas son del orden de 5 kW por dicho orificio.
En general es económicamente viable sustituir hornos de operación discontinua a
operación continua, en plantas donde los niveles de producción lo ameriten y por lo tanto
debe estudiarse cada situación en particular.
En este tipo de equipos debe estudiarse la viabilidad de sustituir el tipo de energético
empleado de forma independiente al tipo de operación de los mismos.
Con base en lo anterior, puede afirmarse que debe establecerse un balance económico
con el objeto de efectuar algún tipo de cambio. Adicionalmente, en cualquier proyecto
debe establecerse inicialmente la viabilidad técnica y, posteriormente, la viabilidad
económica.
3.3.2. Secadores
El secado es una de las principales actividades que el hombre desarrolla. Está íntimamente
relacionado con las condiciones atmosféricas, es una disciplina amplia de estudio puesto
que se refiere a la situación de separar una sustancia susceptible a licuarse (o líquida)
inmersa en otra. Por ejemplo, secar aire lo cual equivale a disminuir el contenido de agua
de un gas, secar madera u otro material sólido, etc. A manera de ilustración, una masa
de agua puede evacuarse parcialmente de un sólido de forma natural, en el tiempo, si
el ambiente que la circunda no se encuentra saturado (su humedad relativa está por
debajo del 100%) hasta encontrar el grado de equilibrio con el medio que lo rodea, pues
dependiendo de la humedad relativa del ambiente, el material (dada su naturaleza) no
dispone de más potencial de secado.
61
El agua está presente en los materiales sólidos (hidrófilos) de forma superficial (removible
fácilmente con empleo de energía mecánica), inmersa en los poros y canales (adyacentes
a fibras, etc.) o como parte constituyente de los mismos.
El secado de un material sólido, siempre y cuando la naturaleza del mismo lo permita (no
es igual remover humedad de un material vítreo - poco poroso - que de determinadas
telas), debe inicialmente realizarse por medios mecánicos (prensado, filtrado, escurrido,
etc) donde no se requiere que el agua, que se elimina, se evapore o cambie de estado.
Posteriormente se utiliza energía térmica.
Existe un límite en el cual la utilización de la energía mecánica es inapropiada para el
efecto de secado, puesto que su utilización causa deterioro del material (roturas o cambios
en la estructura del mismo). Es así como suprimirle humedad por medios mecánicos a
la mayoría de los materiales hidrófilos, comúnmente empleados, por debajo del 25 o el
15 % de la humedad contenida, no es aconsejable. A partir de estos valores, el trabajo
mecánico requiere de un consumo alto de este tipo de energía y posiblemente no es
realizable sin cambiar la naturaleza del producto y el estado de las moléculas de agua y,
por lo tanto, debe recurrirse al trabajo térmico.
El consumo de energía para retirar el agua superficial remanente, se sitúa en valores que
dependen de la naturaleza del material. Valores del orden de 0.02 a 0.04 kWh/kg de agua
removida se encuentran en el secado mecánico. Si el kWh cuesta $200, remover por
este medio un kilogramo de agua cuesta cerca de $5. Si esta misma cantidad de agua se
retira empleando un proceso térmico, donde se evapore el agua, utilizando como insumo
un combustible, se requerirán entonces de $60 a $100. Nótese que el costo es 15 a 20
veces más alto.
El secado puede realizarse de forma natural sin adicionar energía mecánica ni calor y
el costo de insumos energéticos no es relevante. La velocidad a la cual se le remueve
el agua a ciertos sólidos es también de vital importancia. Dependiendo del producto que
se elabore, a algunos materiales debe controlárseles la velocidad de remoción del agua,
para que no sufran roturas y contracciones no deseadas.
Si se desea secar el material, únicamente con energía térmica, se requiere propiciar
al ambiente circundante las condiciones para el efecto. Por lo tanto, si se desea forzar
el secado (remover humedad en menos tiempo) se adiciona energía calórica al aire
con el objeto de disminuir la humedad relativa del mismo (no su humedad absoluta)
evaporándose la masa de agua contenida en un menor tiempo.
No debe secarse el material a una humedad menor que aquella que pueda absorber del
ambiente.
Como regla fundamental se tiene que cada material, dependiendo de su naturaleza,
absorbe humedad del ambiente hasta encontrar un equilibrio con éste. Cuando se
somete un material a secado debe procurarse por evitar que su contenido de humedad
se encuentre por debajo de aquel que tendría en equilibrio con el ambiente en el cual se
requiere conservar y utilizar. Lo óptimo es secar hasta las condiciones de equilibrio del
material con el ambiente circundante.
Si un material tiene un 40 % en peso de agua (40 partes de agua en peso por cada 100
de material), se somete a secado y su humedad de equilibrio con el ambiente (el cual
Uso eficiente y racional de energía
contiene una humedad relativa del 70 %) es del 7 %, no es aconsejable retirarle más
agua puesto que este valor es el límite con el cual, después de almacenarse, quedará si
la humedad relativa del ambiente es del 70%.
En este sentido para secar un kg de agua a 40 OC se requieren teóricamente 2400 kJ.
Existen secadores de diversos tipos. Los cuartos de secado a tandas, los continuos de
baja interacción, los secadores de atomización, etc. La eficiencia de éstos es del orden
del 25 al 30, del 30 al 40 y del 60 al 85 %, respectivamente.
63
Bibliografía
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industria UPB, 2a Ed, ISBN 958-800-032-8,Medellín, Colombia , Ed. UPB ,1998, 264p
Betancur Santiago, Hill Alan, et al. Análisis del sistema de vapor en el sector industrial.
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65
Anexos
Ejemplo 1: Aire comprimido
Una empresa localizada a 1500 m de altura sobre el nivel del mar, tiene un compresor
de tornillo de 75 kW, cuya capacidad nominal es 412 SCFM, opera a una presión de 100
psig. El precio de la energía eléctrica es $180/kW.
Con el objeto de establecer la capacidad real por el método de tanque pulmón se tienen los
siguientes datos: Altura tanque 2,4 m, perímetro tanque 3,96 m. Las tuberías asociadas
(anteriores al tanque) 1 y 2 tienen un diámetro de 0,08 m y de 0.05 m y una longitud de
7,4 m y de 3 m, respectivamente. El aire ingresa a 30 oC y la potencia medida fue de
70kW. Adicionalmente, en la siguiente tabla se presentan las mediciones realizadas de
incremento de presión y tiempo.
Se pretende determinar la capacidad real del compresor en SCFM, el consumo específico
nominal y real, la capacidad real/capacidad nominal, el costo del pie cúbico producido y
de acuerdo con los resultados, se pretende explique qué acciones para el uso eficiente
de energía se deben implementar.
La capacidad real del compresor es el flujo volumétrico que éste entrega a la presión de
operación. El procedimiento para medir esta capacidad mediante el uso del tanque pulmón
consiste en calcular, para un rango de presión cercano al de operación del compresor,
el volumen que entra al tanque. Es decir, el que entrega el compresor durante el tiempo
del intervalo. El aire que está dentro del tanque ocupa un volumen igual al volumen del
tanque VT a una presión PT y temperatura TT dadas. Si el aire estuviera a condiciones
de presión y temperatura estándar PSTD y TSTD, ocuparía un volumen diferente, que es
el que se desea calcular.
Solución
Para calcular el volumen que ocupa el aire a condiciones estándar se utiliza la siguiente
ecuación:
VSTD=VTOTAL*((PT+PATM)/(PSTD))*((TSTD+273)/(TT+273))
El volumen total (VTOTAL) es la suma de aquel que ocupa el aire en el tanque y en los
tramos de tubería.
Uso eficiente y racional de energía
VTOTAL = VTANQUE + VTUBERIA
De acuerdo con los diámetros y las fórmulas de la geometría se calculan los volúmenes.
El volumen del tanque es de 3 m3 y los del tramo de tuberías 1 y 2 son de 0.035 y 0.006,
respectivamente para un volumen total de 3.04.
La presión atmosférica en función de la altura sobre el nivel del mar se puede calcular
mediante la siguiente ecuación
PATM =((1-(0,000022572 * altitud))5,265)*1013,25*0,0145038
Reemplazando para 1500 m, PATM = 12,26 psi
Para el tiempo 0 el volumen de aire a condiciones estándar es:
VSTD0= 3,04m3*((70 psi+12,26)/(14,7psi))*((15,5°C+273)/(30°C+273)) = 16,23 m3
Para el tiempo 1, que corresponde a 11,5 segundos, el volumen a condiciones estándar es:
VSTD1= 3,04m3*((80 psi+12,26)/(14,7psi))*((15,5°C+273)/(30°C+273)) = 18,21 m3
Esto quiere decir, que en 11,5 segundos, entró al tanque un volumen de aire de 1,98 m3
a condiciones estándar (18,21 m3 menos 16,23 m3). El flujo volumétrico (Q) se calcula
así:
QSTD = (V1-V0)/(t1-t0) = (18,21 m3 – 16,23 m3) / (11,5 s – 0 s) = 0,17 m3/s
Para convertirlo a las unidades utilizadas por el fabricante scfm (pies cúbicos estándar
por minuto) se utilizan los siguientes factores: 1 m3=35,3147 pie3 y 1 min = 60s
QSTD = 363 scfm.
Este cálculo se realiza de igual manera para los otros intervalos y se promedian para
obtener el flujo volumétrico que entrega el compresor, es decir, su capacidad real.
Capacidad real del compresor = 330 scfm.
El consumo específico nominal y real se calculan así:
C.E.NOMINAL = Potencia nominal/Capacidad nominal = 75 kW/ 412 scfm = 0,18 kW/scfm
C.E.REAL = Potencia real/Capacidad real = 70 kW/ 330 scfm = 0,21 kW/scfm
La Capacidad real/Capacidad nominal es la relación entre el flujo volumétrico que entrega
el compresor al momento del análisis, con respecto al flujo volumétrico de diseño. Al estar
ambos referenciados a las mismas condiciones estándar, se elimina la dependencia de
presión y temperatura y alguna diferencia se asocia al estado mecánico, eléctrico o de
operación del compresor.
67
Capacidad real/Capacidad nominal = 330 scfm/ 412 scfm = 0,8
Por lo tanto el compresor está entregando un 80% de su capacidad nominal.
El costo del pie cúbico producido se refiere al consumo de energía y, por lo tanto, al costo
asociado por volumen de aire real entregado.
$/pie3 = Potencia real*costo energía/(60*Capacidad real)
$/pie3 = 75 kW*180 $/kWh / (60 min/h*330 pie3/min) = 0,64 $/pie3
Con base en lo anterior se recomienda revisar el estado de los mantenimientos sugeridos
por el fabricante (horas de operación), con el fin de detectar si es posible identificar
fugas internas debido al desgaste, mantener la temperatura del aire a la salida del
compresor en valores cercanos a la temperatura ambiente con una refrigeración interna
del compresor adecuada y verificar el estado de los filtros par evitar altas caídas de
presión a la succión.
Ejemplo 2: Aire comprimido
La empresa del ejemplo anterior desea estimar el costo de tener fugas de aire comprimido
en su red de distribución, dado que este sistema está en operación las 24 horas del día
los 365 días del año. El consumo promedio de aire en la planta es 330 SCFM y el costo
de generar 1 pie3 de aire comprimido es 0,64 $/pie3. Las tuberías 1,2 y 3 (posteriores
al tanque) tienen un diámetro de 0.08, 0.05 y 0.03 m y una longitud de 85, 230 y 414
m, respectivamente. Adicionalmente, en la siguiente tabla se presentan las mediciones
realizadas de la pérdida de presión en el sistema con respecto al tiempo.
Se pretende determinar la cantidad de fugas en SCFM, su costo anual y el porcentaje
que representan con respecto al consumo total.
Solución
1. Fugas en pies cúbicos por minuto a condiciones estándar
Las fugas de aire totales de una red de distribución se pueden calcular de acuerdo con
la pérdida de presión que se registra en el tanque pulmón. Este valor también se debe
referenciar a condiciones estándar y debe considerar el volumen que ocupa el aire en
todo el trayecto de la red, incluyendo los diferentes tramos de tubería y los tanques de
almacenamiento. En este caso el volumen total que ocupa el aire es:
VTOTAL = VTANQUE + VTUBERIA1 + VTUBERIA2 + VTUBERIA3
VTANQUE = radio2*PI()*altura
Uso eficiente y racional de energía
Radio = Perímetro/2*PI()
VTANQUE = (0,63m)2*3,1416*2,4m = 3 m3
VTUBERIA1 = (3,1416*(0,08m)2*85m)/4 = 0,41
VTUBERIA2 = (3,1416*(0,05m)2*230m)/4 = 0,5
VTUBERIA3 = (3,1416*(0,03m)2*414m)/4 = 0,23
VTOTAL = 4,13
Para calcular el volumen que ocupa el aire a condiciones estándar se utiliza la siguiente
ecuación:
VSTD=VTOTAL*((PT+PATM)/(PSTD))*((TSTD+273)/(TT+273))
La presión atmosférica en función de la altura sobre el nivel del mar se calcula mediante
la siguiente ecuación:
PATM =((1-(0,000022572*altitud))5,265)*1013,25*0,0145038
Reemplazando para 1500 m, PATM = 12,26 psi
Para el tiempo 0 el volumen de aire a condiciones estándar es:
VSTD0= 4,13m3*((104 psi+12,26)/(14,7psi))*((15,5°C+273)/(30°C+273)) = 31,18 m3
Para el tiempo 1, que corresponde a 43 segundos, el volumen a condiciones estándar
es:
VSTD1= 4,13m3*((102 psi+12,26)/(14,7psi))*((15,5°C+273)/(30°C+273)) = 30,64 m3
Esto quiere decir, que en 43 segundos, salió de la red de distribución un volumen de aire
de 0,54 m3 a condiciones estándar (31,18 m3 menos 30,64 m3). El flujo volumétrico se
calcula entonces así:
QSTD = (V1-V0) / (t1-t0) = (30,64 m3 - 31,18 m3 ) / (43 s – 0 s) = - 0,17 m3/s
El signo menos significa que este flujo de aire sale del sistema. Para convertirlo a las
unidades utilizadas por el fabricante scfm (pies cúbicos estándar por minuto) se utilizan
los siguientes factores: 1 m3=35,3147 pie3 y 1 min = 60s
QSTD = 26,4 scfm.
Este cálculo se realiza de igual manera para los otros intervalos y se promedia para
obtener el flujo volumétrico que sale de la red de distribución, es decir, las fugas totales.
Fugas totales = 23,4 scfm.
69
2. Costo de las fugas al año
Si producir 1 pie3 tiene un costo de 0,64$, entonces producir 23,4 pie3 /min (scfm) durante
1 año, con operación continua de 24 horas al día, 365 días al año, tiene un costo de:
Costo anual de fugas = 0,64 $/pie3*23,4 pie3/min * 60min / 1h * 24 h / 1 día * 365 día /
año
Costo anual de fugas = 7’884.269 $/año
3. Porcentaje de fugas respecto al consumo total
El consumo total de aire en la planta es 330 scfm. Si 23,4 scfm es el aire que se escapa
por fugas, esto equivale al 7,1% del consumo total de aire.
Ejemplo 3: Vapor
Una empresa posee una caldera de 300 BHP que emplea crudo No. 6 para suministrar
vapor a sus procesos productivos. Hace dos años uno de los procesos fue trasladado para
otra planta. Este proceso requería vapor a 120 psia. La presión más alta de los procesos
actuales es de 90 psia. Será posible estimar la diferencia en el costo de generación de
vapor (sin tener en cuenta el proceso) por operar la caldera a 120 psig y no a 90 psig
durante estos dos años.
Datos generales
Tabla de vapor saturado
Uso eficiente y racional de energía
a) Calcular la energía para producir vapor a 120 psia
hg = 2771 kj/kg, Utilizando la de tabla vapor, buscar hg a 120 psia
Calcular agua entrada, así: hf =4,18 * (Temp. Agua entrada - 0) = 313,5 kj/KG
Energía total = 2457,5 kj/kg, Energía necesaria para producir un kilo de vapor a 120 psia
con agua de entrada de 75 ºC. Se calcula de la diferencia de (hg- hagua entrada)
Calcular combustible para las condiciones mencionadas
De la formula de eficiencia se despeja flujo de combustible, así:
Flujo combustible = Flujo vapor*(hg- hagua entrada)/(eficiencia * P.C.S)
Flujo de combustible = 147,8 kg/h
Consumo últimos dos años = 2212813,9 kg, se obtiene de multiplicar kg/h * horas anuales
* 2 años
Costo últimos dos años = $1.402.522.008, Multiplicar los kilos de los dos años * costo
por kilogramo
b) Calcular la energía para producir vapor a 90 psia
hg = 2758 kj/kg Utilizando la de tabla vapor, buscar hg a 90 psia
hagua entrada = 313,5 kj/kg, Se calcula al multiplicar Cp agua (4.18 kj/kg ºC) * (Temp. agua
entrada - 0)
Energía total = 2444,5 kj/kg, Energía necesaria para producir un kilo de vapor a 90 psia
con agua de entrada de 75 ºC. Se calcula de la diferencia de (hg- hagua entrada)
Calcular combustible de la formula de eficiencia para las condiciones mencionadas
Eficiencia = mvapor* (hg-h.agua in)/mcomb*P.C.S, despejando mcomb. Queda:
mcomb. = 147,0 kg/h
Consumo últimos dos años = 2201108,2 kg se obtiene de multiplicar kg/h * horas anuales
* 2 años
Costo últimos dos años = 1395102766 $
c) Calcular el ahorro
Ahorro = $ 7419241,5. Se obtiene de la diferencia entre el costo a 120 psia y el costo a
90 psia
Nota: Importante destacar que la energía para producir un kg de vapor es mayor en la
medida que se incrementa la presión de generación.
Ejemplo 4: Vapor
Una empresa para su proceso tiene una caldera de 600 BHP que emplea carbón y
produce 6000 kg/h de vapor en promedio a una presión de 100 psia. La eficiencia del
equipo es de 80%. La temperatura de agua de alimentación es de 26 ºC. Tiempo de
operación anual de 7200 horas. Actualmente la planta no recupera el condensado que
se produce en los equipos de proceso. Se estima que al recuperarlos la temperatura de
agua de alimentación sería de 90ºC. Calcular el ahorro anual en agua y combustible si
este condensado se recupera.
71
Datos generales
Tabla de vapor saturado
Hallar el consumo de combustible utilizando
Eficiencia = (flujo de vapor *(entalpía vapor saturado-entalpía agua entrada))/(flujo de
combustible * Poder calorífico superior)
Primero buscar en las tablas de vapor hg
hg = En la tabla 2763 Kj/KG
Calcular hagua entrada, así: hf =4,18 * (Temp. Agua entrada - 0) = 108,68 Kj/KG
De la fórmula de eficiencia se despeja flujo de combustible, así:
Flujo combustible = Flujo vapor*(hg- hagua entrada)/(eficiencia * P.C.S)
Flujo combustible = 711,0 kg/h
Uso eficiente y racional de energía
Consumo combustible anual = Flujo combustible * horas operación año
Consumo combustible anual = 5119045,71 kg carbón/año
Hallar el consumo con la nueva temperatura de agua:
hg = En la tabla 2763 Kj/KG
Calcular hl, así: hl = 4,18* (Temp. Agua entrada -0) 376,2 Kj/KG
De la fórmula de eficiencia se despeja flujo de combustible, así:
Flujo combustible = Flujo vapor*(hg-hl)/(eficiencia * P.C.S)
Flujo combustible = 639,3 kg/h
Consumo combustible anual = Flujo combustible * horas operación año
Consumo combustible anual = 4603114,3 kg carbón/año
Ahorro combustible
Calcular el ahorro = Consumo con temperatura de agua de 26ºC - Consumo con
temperatura de agua de 90ºC
Ahorro = 515931,4 kg/año
Ahorro = 51593142,9 $/año, multiplicando por el costo del combustible
Calcular el ahorro en agua
Ahorro agua = 43200000 kg/año, Flujo vapor * horas operación año
43200 m3/año. Dividir por 1000 para obtenerlo en m3
122256000 $/año. Multiplicar por el costo del agua tratada
Total ahorro: 173849142,9 $/año (agua + combustible)
Ejemplo 5: Refrigeración
Una empresa de plásticos (situada al nivel del mar con unas condiciones ambientales
promedio de 25°C una humedad relativa del 60%) utiliza agua a baja temperatura para
su proceso productivo en inyectoras de plásticos y para el sistema de acondicionamiento
de aire de las oficinas de producción. La empresa cuenta con un chiller (enfriadores de
agua) que opera bajo el principio de compresión de vapor, el cual posee un condensador
enfriado por aire, un evaporador de coraza y tubo, y dos compresores reciprocantes sin
posibilidad de modulación (sistemas de encendido y apagado – on, off -) y con más de
15 años de uso.
La empresa desea mejorar el rendimiento energético (COP) del sistema de producción
de frío buscando alternativas tecnológicas de bajo impacto ambiental y que representen
un ahorro en dinero. La situación actual de la empresa es la siguiente: Carga térmica del
sistema de aire acondicionado y refrigeración (Edificio de oficinas: 100 kW operando 8
horas día, agua de enfriamiento para inyectoras: 100 kW operando 24 horas día, ganancia
de calor por deficiencia en aislamiento, infiltraciones y otros: 40 kW)
El equipo de producción de frío posee las siguientes características: Refrigerante R22,
dos compresores reciprocantes de 50 kW c/u, un condensador de aire y un evaporador
de coraza y tubo.
73
Las condiciones de operación son: flujo de agua 20 m3/h; temperaturas del agua fría y
de retorno promedio 4°C y 12°C, respectivamente; temperaturas de evaporación y de
condensación -5°C y 40°C, respectivamente.
Se pretende evaluar diferentes alternativas para mejorar la eficiencia energética del sistema
de refrigeración, tales como: instalar una torre de enfriamiento para suministrar agua para
condensación, reemplazar el refrigerante R22 por Amoníaco, instalar intercambiadores
de placas en el evaporador o reducir las pérdidas al 10%. La información técnica con el
objeto de evaluar las mejoras es:
Torre de enfriamiento: Acercamiento: 5°C, Rango (salto): 7°C, Flujo agua: 35 m3/h.
Propiedades termodinámicas R22 y el Amoníaco:
Intercambiadores de calor:
Condensador:
Evaporador:
Uso eficiente y racional de energía
En sistemas de refrigeración se define el coeficiente de operación (COP) como el
equivalente a la eficiencia en equipos térmicos, éste relaciona el calor retirado del
producto o medio refrigerado con el trabajo o energía eléctrica consumida por el equipo
productor de frío, en este caso el compresor. La variación del COP depende básicamente
de las temperaturas de evaporación (o del producto frío o el cuarto de congelación, etc.)
y de la de condensación (o la temperatura ambiente), de la carga de enfriamiento (o flujo
de refrigerante), del tipo de refrigerante y del consumo de energía en el compresor.
En el caso de los sistemas de generación de frío se puede calcular un COP ideal,
que corresponde al máximo rendimiento que se puede alcanzar suponiendo procesos
ideales (compresión y expansión reversibles, sin pérdidas de presión en el condensador
y evaporador y las líneas que conectan los equipos son ideales), calculándose de la
siguiente forma:
Donde el COPideal es el coeficiente de operación ideal y TH y TL son las temperaturas de
condensación y de evaporación (K)
El COP de los sistemas reales depende de las temperaturas del foco frío y el sumidero
de calor. Se afectan apreciablemente por el tipo de refrigerante que se emplee, por la
configuración del sistema (seco, inundado, con recirculación, etc.) y por la tecnología
empleada en los equipos de compresión (eficiencia isentrópica, volumétrica, mecánica y
eléctrica).
Una ecuación general que describe la influencia de estas características con la capacidad
de enfriamiento y el consumo de energía por parte del compresor es:
Donde:
Welec
: Consumo de energía eléctrica en el compresor (kW).
Qevap
: Capacidad de enfriamiento o carga térmica del sistema (kW)
m
: Flujo másico de refrigerante (kg/s)
: Eficiencia isoentrópica
iso
: Eficiencia volumétrica
vol
: Eficiencia mecánica
mec
: Eficiencia eléctrica
ele
n
: Relación de calores específicos (R22 n=1,2; Amoníaco n=1,6)
75
Pin , Pout : Presión de entrada y salida del compresor (kPa)
Vin
: Volumen específico a la entrada al compresor (m3/kg)
La capacidad de enfriamiento o carga térmica del sistema, está representada en la
cantidad de calor que debe retirar el sistema de producto a enfriar, ya sea un fluido como
agua, aceite, aire o el calor a que se encuentra sometido un espacio por productos,
personas, equipos o cargas externas.
La eficiencia isoentrópica, iso, depende de la temperatura de salida del refrigerante del
compresor. En la mayoría de los casos en compresores que no están refrigerados la iso
varía entre 0.8 y 0.9, mientras que en compresores que poseen sistemas de refrigeración
la iso puede ser de 1.1 a 1.3.
La eficiencia volumétrica, vol, depende del tipo de compresor, normalmente varía de 0.85
a 0.9, la eficiencia mecánica, mec, depende del tipo de acople o transmisión mecánica,
normalmente varía de 0.8 a 0.85 y La eficiencia eléctrica, ele, depende del tipo de motor,
normalmente varía de 0.85 a 0.9.
La relación de calores específicos n (cuociente entre el calor específico a presión
constante y el calor específico a volumen constante), depende del tipo de refrigerante, al
igual que el volumen específico, y las entalpías. Estos valores se encuentran tabulados
en la literatura.
Análisis de las mejoras propuestas:
1. Instalar una torre de enfriamiento para el proceso de condensación del sistema
de producción de frío.
Situación actual:
Carga térmica del sistema de aire acondicionado y refrigeración:
- Edificio de oficinas: 100 kW (8 horas día)
- Agua helada para inyectoras: 100 kW (24 horas día)
Uso eficiente y racional de energía
- Ganancias de calor por deficiencia en aislamiento, infiltraciones y otros: 40 kW
Carga térmica total: 240 kW
Consumo de energía compresores:
Qevap
n
m
Pin
Pout
Vin
ηiso
ηvol
ηmec
ηele
COPideal
= 240 kW
= 1,2 (R22)
= Qevap / hfg = 240 kW / (403,51-249,67) kJ/kg = 1,56 kg/s
= 354,79 kPa (@ -5°C, 268 K)
= 1554,89 kPa (@ 40°C, 313 K)
= 0,05534 m3/kg
= 0,8 (reciprocante, no refrigerado)
= 0,85 (reciprocante, muchas horas de operación)
= 0,85 (acople con banda)
= 0,85 (motor estándar)
= TH/(TH-TL) = 6,95
Welec = 107,4 kW
COPreal = 2,21
Situación propuesta:
Carga térmica del sistema de aire acondicionado y refrigeración:
Edificio de oficinas: 100 kW (8 horas día)
Agua helada para inyectoras: 100 kW (24 horas día)
Ganancias de calor por deficiencia en aislamiento, infiltraciones y otros: 40 kW
Carga térmica total: 240 kW
77
Consumo de energía compresores:
Qevap
n
m
Pin
Pout
Vin
ηiso
ηvol
ηmec
ηele
COPideal
= 240 kW
= 1,2 (R22)
= Qevap / hfg = 240 kW / (403,51-243,10) kJ/kg = 1,49 kg/s
= 421,34 kPa (@ -5°C, 268 K)
= 1354,78 kPa (@ 35°C, 308 K)
= 0,05534 m3/kg
= 0,8 (reciprocante, no refrigerado)
= 0,85 (reciprocante, muchas horas de operación)
= 0,85 (acople con banda)
= 0,85 (motor estándar)
= TH/(TH-TL) = 7,7
Welec = 91,7 kW
COPreal = 2,61
% Ahorro energía eléctrica = 14,6%
2. Reemplazar el R22 por Amoníaco (cambio de compresor)
Consumo de energía compresores:
Qevap
n
m
Pin
Pout
Vin
ηiso
ηvol
ηmec
ηele
COPideal
= 240 kW
= 1,6 (Amoníaco)
= Qevap / hfg = 240 kW / (1455,16-386,43) kJ/kg = 0,22 kg/s
= 354,79 kPa (@ -5°C, 268 K)
= 1544,89 kPa (@ 40°C, 313 K)
= 0,34618 m3/kg
= 0,85 (tornillo, refrigerado)
= 0,90 (tornillo, nuevo)
= 0,90 (acople directo)
= 0,90 (motor alta eficiencia)
= TH/(TH-TL) = 6,95
Uso eficiente y racional de energía
Welec = 85,8 kW
COPreal = 2,79
% Ahorro energía eléctrica = 20,1%
3. Instalar intercambiadores de placas en el evaporador
Consumo de energía compresores:
Qevap
n
m
Pin
Pout
Vin
ηiso
ηvol
ηmec
ηele
COPideal
= 240 kW
= 1,2 (R22)
= Qevap / hfg = 240 kW / (405,37-249,67) kJ/kg = 1,54 kg/s
= 497,58 kPa (@ 0°C, 273 K)
= 1554,89 kPa (@ 40°C, 313 K)
= 0,04714 m3/kg
= 0,8 (reciprocante, no refrigerado)
= 0,85 (reciprocante, muchas horas de operación)
= 0,85 (acople con banda)
= 0,85 (motor estándar)
= TH/(TH-TL) = 6,82
Welec = 91,6 kW
COPreal = 2,62
% Ahorro energía eléctrica = 14,7%