Eficiencia Energética en

Procesos Térmicos

Dr. Rodolfo Alberto Herrera Toledo

International Copper Association – ICA

ICA - Procobre México

• Organización líder en la Promoción del Cobre a nivel mundial

• La Red ICA lleva funcionando más de 90 años

• 50 años integrando actividades a nivel mundial

• 43 empresas miembros de nivel global

• Empresas mineras de cobre que representan 60% de la

producción mundial

• 11 de los fabricantes que utilizan el cobre y sus aleaciones más

grandes del mundo

• La Red ICA abarca casi 500 socios a nivel global

ICA – International Copper Association

31 Oficinas en 29 países en 5 continentes

Con sede en Nueva York y oficinas regionales:

• Bélgica

• Chile

• China

Procobre Brasil Procobre Chile Procobre México Procobre Perú

ICA América Latina oficinas:

International Copper Association - Procobre

Principales Iniciativas

Energía Sustentable (Eficiencia Energética y Energías Renovables)

Construcción

Salud, Ambiente y Desarrollo Sustentable

Desarrollo Tecnológico y Transferencia

Funciones de Apoyo

Comunicaciones

Inteligencia de Mercado, Datos y Cuantificación

Apoyo Técnico y de Mercado

Financiamiento (Estrategia de Ingresos)

Administración

Contenido

• Intercambiadores de calor.

• Calderas.

• Sistemas de distribución de vapor.

• Recuperación de calor.

Aviso Importante Este informe, estudio y/o su presentación fue contratado por Procobre Centro Mexicano de Promoción del cobre A.C. para su realización y presentación a Dr. Rodolfo Alberto Herrera Toledo y se ha procurado el mejor apego a obtener la información precisa y confiable posible. Sin embargo existe la posibilidad de que no sea precisa o aplicable en todos los casos por lo que se reserva a la revisión en cada caso de los temas expuestos.

Energía Térmica, Equilibrio,

Temperatura

• AGUA CALIENTE

• Temperatura < 110°C (383K)‏

• Generación

• Calentadores de agua de flama

• Calentadores eléctricos

• Cambiadores de calor

• Recuperadores de calor

• Calentadores solares

Leyes de la Termodinámica

• Conservación de la energía

• Dirección de los procesos térmicos

• NUNCA SE PODRÁ CONVERTIR TODO EL CALOR EN

TRABAJO ÚTIL

• CONCEPTO DE EFICIENCIA

• CONCEPTO DE IRREVERSIBILIDAD

ENEGÍA TÉRMICA

Calentamiento Conversión

a potencia

Fluidos Térmicos

Vapor

Aire

Otro

Cargas Conversión directa

MCI

TG

Cambiadores de calor

Calderas de

recuperación

Calentadores

Hornos

Conversión

de Potencia

Fotocelda

Sistema Térmico Cuenta con procesos que transfieren energía en forma de calor (flujo

térmico)

Tipos de calentamiento:

Directo Indirecto

COPYRIGHT TLV.CO LTD COPYRIGHT TLV.CO LTD

Intercambiadores de Calor

El fluido caliente pasa sobre el área de transferencia de calor del intercambiador de calor y el calor del vapor se transfiere a la sustancia que se está calentando. De esta manera, el luido caliente nunca entra en contacto directo con la sustancia que se calienta.

• Tubos coraza

• Doble tubo.

Intercambiadores de Placas

Ventajas

• Facilidad de desarmado para limpieza

• Gran transferencia de calor

• Eficiente

Desventajas

• No se puede trabajar a altas presiones (max. 300 psia)

• No se puede trabajar a altas temperaturas (max. 300ºf)

Tabla Valores representativos del coeficiente global de transferencia de calor

Combinación de fluidos U [W/m2.K]

Agua con agua 850 - 1700

Agua con aceite 110 - 350

Condensador de vapor (agua en tubos) 1000 - 6000

Condensador de amoníaco (agua en tubos) 800 - 1400

Condensador de alcohol (agua en tubos) 250 - 700

Intercambiador de calor de tubos con aletas (agua en tubos, aire en flujo cruzado)

25 - 50

2 1

2

1

T Tq UA

Tln

T

Coeficiente Global de Transferencia de

Calor

Calentador solar

Se han creado

programas de

instalación de

calentadores

solares, en zonas

con problemas de

abasto de agua, no

es recomendable

instalación los de

tubos al vacío, ante

esta problemática,

prefiera los planos,

con tubos de cobre

Calentadores de Agua Eléctricos

• La fuente de calor es sustituida por resistencias eléctricas

• El rendimiento de estos equipos debe de ser mayor al 95%

Calderas

Relación Aire Combustible (RAC)

en los Gases de Combustión

• Permite ahorros hasta de 20%

• Temperatura de los gases de combustión

¡Se logran ahorros hasta del 15%!

Combustible O2 CO2

Exceso de Aire

% % %

Gas Natural 2.23 10.6 10

Diesel 3.2 13.5 15

Gasóleo 3.71 9.9 17.5

Combustóleo 4.22 12.5 20

Carbón 4.5 14.5 25

Madera 5 15.5 30

Balance Energético Caldera

El rendimiento de estos equipos debe de ser mayor al 90%

1. Caldera de agua caliente

2. Quemador

3. Aislamiento

4. Bomba de circulación

5. Chimenea

6. Carga del agua caliente

Medidas Recomendables

En la carga:

• Dimensionamiento adecuado de carga

• Evitar el derroche

En el equipo:

• Selección adecuada de capacidad de equipo

• Balanceo de carga adecuado entre los diferentes equipos para

que operen arriba del 80% de carga.

• Quemador adecuado a la operación y el combustible

• Equipo de control seguidor de carga

• Aislamiento adecuado

Medidas Recomendables

En la operación:

1. Ajuste del exceso de aire

2. Reducir la temperatura de salida de los gases

3. Realizar periódicamente el balance de energía

4. Tener monitoreo continuo de las condiciones operativas

5. Aislamiento en condiciones adecuadas

6. Procedimientos de mantenimiento conforme recomendaciones del

fabricante

• Purgas

¡La disminución del flujo de purgas a valores estándar y la recuperación del calor en las

purgas permite un ahorro de hasta 5% !

Recuperación de Calor en Calderas

Economizador (precalentador de agua)

¡Permite ahorros desde 2% hasta 12%

Precalentador de aire

¡Se llegan a obtener ahorros de

hasta el 5%

Recuperación de Calor

Se debe considerar:

▪ La disponibilidad temporal del calor de desecho

▪ La cantidad de calor de desecho

▪ La calidad o temperatura del calor de desecho

¡La recuperación de calor debe ser económicamente factible!

Recuperación calor

residual

100%

Combustible

primario

Motor de gas

Pérdida del 15% en humo

Pérdida del 5% de radiación (Basado en un típico motor de

gas)

50% Calor 30% Energía eléctrica

generador Intercambio calor motor

Balance Energético Motor de Combustión

Combustible primario

100 unidades de energía

Combustible primario

56 unidades de energía

156 unidades de energía

Central de Generación

Transmisión

Eficiencia: 30%

Caldera

Eficiencia: 80%

Cogeneración

con turbina de gas

y HRSG

Combustible primario

100 unidades de energía

%48156

75

56100

4530

%75

100

75

100

4530

30 unidades de energía

Eficiencia

45 unidades de calor

Cogeneración

Natural gas

Gas turbine

HRSG

Steam turbine

Heat condensers District heating

Power

Flue gas Gas

Air

Rya CHP - layout Net power output: 265 MW

District heating duty: 295 MW

Fuel efficiency: 93%

Microturbinas

Agua Caliente vs Vapor

• Si la superficie de trasferencia de calor del intercambiador de calor son idénticas….

• Los tiempos de calentamiento pueden ser acortados si se calienta con vapor

• Si se rediseña el intercambiador de calor para hacer la misma cantidad de trabajo….

• Si utilizamos vapor para el calentamiento, el diseño puede incorporar una menor superficie de transferencia de calor.

• Algunas de las aplicaciones típicas del vapor para las industrias son:

• Esterilización/Calentamiento

• Impulso/Movimiento

• Motriz

• Atomización

• Limpieza

• Hidratación

• Humidificación

http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/principal-applications-for-steam.html

Vapor para Calentamiento

• En un intercambiador de calor, el vapor eleva la temperatura del producto por transferencia de calor, el cual después se convierte en condensado y es descargado a través de una trampa de vapor.*

Vapor de Presión Positiva

El vapor generalmente es producido y distribuido en una presión positiva. En la mayoría de los casos, esto significa que es suministrado a los equipos en presiones mayores a 0 kPag (0 psig) y a temperaturas mayores de 100°C (212°F).

*http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/principal-applications-for-steam.html

Vapor Húmedo y Seco

El vapor saturado es utilizado como la fuente de calentamiento para fluido de proceso en intercambiadores de calor, reactores, reboilers, precalentadores de aire de combustión, y otros tipos de equipos de transferencia de calor.

Vapor sobrecalentado entre 200 a 800°C (392 - 1472°F) a presión atmosférica es particularmente fácil de manejar, y es usado en los hornos domésticos de vapor vistos hoy en dia en el mercado.

Vapor al Vacío

• El uso de vapor para el

calentamiento a temperaturas por

debajo de 100°C (212°F),

tradicionalmente el rango de

temperatura en el cual se utiliza

agua caliente, ha crecido

rápidamente en los últimos años.

Vapor para Impulso/Movimiento

El vapor se usa regularmente para propulsión (así como fuerza motriz) en aplicaciones tales como turbinas de vapor.

La turbina de vapor es un equipo esencial para la generación de electricidad en plantas termoeléctricas.

Vapor como Fluido Motriz

Para mover flujos de liquido o gas en una tubería. Los eyectores de vapor son usados para crear el vacío en equipos de proceso tales como las torres de destilación que son utilizadas para purificar y separar flujos de procesos. Los eyectores también pueden ser utilizados para la remoción continua del aire de los condensadores de superficie, esto para mantener una presión de vacío deseada en las turbinas de condensación (vacío).

Vapor para Atomización

La atomización de vapor es un proceso en donde el vapor es usado para separar mecánicamente un fluido. Por ejemplo, en algunos quemadores, el vapor es inyectado en el combustible para maximizar la eficiencia de combustión y minimizar la producción de hidrocarbonos (hollín).

Vapor para Limpieza

• El vapor es usado para limpiar un gran rango de superficies. Un ejemplo de

la industria es el uso del vapor en los sopladores de hollín. Las calderas que usan carbón o petróleo como fuente de combustible deben estar equipadas con sopladores de hollín para una limpieza cíclica de las paredes del horno y remover los depósitos de la combustión de las superficies de convención para mantener la eficiencia, capacidad y confiabilidad de la caldera.

Aislamiento Espesor óptimo de aislamiento

HORNOS Un horno es un compartimento cerrado que se utiliza para calentar, cocer, fundir o secar una carga.

La energía calorífica utilizada para alimentar un horno puede ser suministrada directamente por combustión, radiación (luz solar), o indirectamente por medio de electricidad (horno eléctrico) u ondas electromagnéticas (microondas).

HORNOS

Medidas recomendables de uso eficiente de energía

En la carga:

1. Dimensionamiento adecuado de carga

2. Evitar el derroche

En el equipo:

1. Selección adecuada de capacidad de equipo

2. Balanceo de carga adecuado entre los diferentes equipos para que operen arriba del 80% de carga.

3. Quemador adecuado a la operación y el combustible

4. Equipo de control seguidor de carga

5. Aislamiento adecuado

HORNOS

En la operación:

• Ajuste del exceso de aire

• Reducir la temperatura de salida de los gases

• Utilizar recuperadores de calor de los gases

• Buscar combustión completa

• Realizar periódicamente el balance de energía

• Tener monitoreo continuo de las condiciones operativas

• Aislamiento en condiciones adecuadas

• Procedimientos de mantenimiento conforme recomendaciones del fabricante

HORNO SOLAR

• Un horno solar es un sistema que acapara la energía calorífica de la luz del sol y si se requiere, la conserva. Tienen diversas aplicaciones, pero la más conocida es su utilidad para cocinar. Dependiendo del tipo, uso y tamaño se pueden conseguir temperaturas muy elevadas.

HORNO SOLAR

Existen actualmente dos sistemas:

• De concentración, que como su propio nombre indica concentra los rayos del sol en un punto. Si su aplicación es la cocina, en dicho punto se colocaría la olla, pero este sistema también se aplica en la solar termoeléctrica (consiguiendo temperaturas muy elevadas, desde 400ºC hasta 750ºC, y en ocasiones incluso más), y de forma parecida en la solar fotovoltaica de concentración.

• Horno o Caja, que acapara la radiación para calentar un volumen de aire aislado del exterior (como un horno convencional pero utilizando el sol como fuente de energía).

¡GRACIAS!

Webinar presentado por: Dr. Rodolfo Alberto Herrera Toledo ro2fox@gmail.com

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• www.procobre.org • Marycarmen Ruiz • mcruiz@procobre.mx • Síganos en redes sociales

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