Guía para plantear proyectos con sistemas de recuperación de energía térmica residual industrial (3ª PARTE)

Ver 2ª PARTE

Ciclos de refrigeración

La refrigeración típicamente se lleva a cabo usando uno de dos diferentes métodos. Aunque existen otros métodos para aplicaciones de frío, el ciclo de compresión de vapor y el ciclo de absorción son los dominantes en las aplicaciones de hoy.

Ciclo de compresión de vapor

El ciclo de compresión de vapor puede considerarse como un ciclo de Rankine inverso. Utiliza cuatro etapas principales para extraer el calor de un intercambiador de calor (que reduce la temperatura ambiente alrededor) que se denomina evaporador hasta un intercambiador de calor secundario para añadir energía a los alrededores de este intercambiador de calor (el condensador).

Los cuatro pasos utilizados son los siguientes:

1. El fluido se transfiere al fluido de trabajo a presión constante a través del evaporador.
2. Ocurre una compresión isentrópica del fluido de trabajo, usualmente mediante el bombeo mecánico con suministro de energía externo para realizar el trabajo.
3. El calor se transfiere desde el fluido de trabajo que fluye a presión constante a través del condensador al aire alrededor del condensador. El fluido de trabajo deja el condensador como un líquido.
4. La expansión del fluido de trabajo ocurre por el uso de una válvula de expansión. El fluido de trabajo es estrangulado a una mezcla de vapor líquido en dos fases, en el tiempo que el fluido de trabajo entra en el evaporador. El fluido de trabajo luego retorna a la primera etapa del ciclo de compresión de vapor.

En la figura con la que abrimos el artículo representamos un diagrama simplificado P-h (Presión – Entalpía) de un ciclo de compresión de vapor.  

Ciclo de absorción

Un segundo método de refrigeración es el ciclo de refrigeración por absorción. La segunda etapa del ciclo de compresión de vapor (ej. el compresor) se reemplaza por equipos que consisten en un absorbedor, bomba, generador y válvula y un absorbente secundario se añade al ciclo.

En la siguiente figura se utiliza un esquema de un sistema del ciclo de absorción simplificado.

Una vez el fluido de trabajo deja el evaporador, va al absorbedor donde es absorbido por el absorbente secundario para formar una solución líquida. Esta solución luego se eleva a una presión más alta (usualmente por medios mecánicos) y en este punto tendremos una solución fuerte. En el generador, el fluido de trabajo inicial se reclama por medio de calor adicional que se añade al sistema y una solución débil es realimentada al absorbedor a través de una válvula de una vía.

Una ventaja del ciclo de absorción es que se requiere menos energía para bombear las soluciones que en el ciclo de compresión de vapor en el que se usa un único fluido tal como el amoniaco. Sin embargo deben analizarse los requerimientos de energía térmica para la recuperación del absorbente. Donde hay disponibles fuentes de calor residual, el ciclo de absorción puede usar esta energía térmica para recuperar el absorbente, lo cual ofrece la ventaja de ayudar para proporcionar una solución de refrigeración con calor residual.

A veces se usa agua como medio de refrigeración en el condensador y bromuro de litio como fluido absorbente en el ciclo de absorción de vapor. Este uso de agua como refrigerante sin embargo ofrece una limitación de enfriamiento de 273 º K. Una alternativa con la que podemos superar el límite de 273 ºK  es usar amoniaco como refrigerante y agua como fluido absorbente. A pesar de sus limitaciones de temperatura, el ciclo basado en bromuro de litio es el más comúnmente usado en la implementación del ciclo de absorción de vapor en aplicaciones comerciales.

REVISIÓN DE TECNOLOGÍAS PARA RECUPERACIÓN DEL CALOR RESIDUAL

Hay un amplio rango de fuentes de calor residual en un contexto industrial.

Además, casi todos los procesos de recuperación de calor implican el uso de intercambiadores de calor para recuperar energía y transferirlo a un fluido de trabajo secundario para otro proceso. Consideramos diferentes tipos de intercambiadores de calor y sus aplicaciones.

También revisamos las tecnologías de generación con bombas de de calor.

Estas tecnologías incorporan algunos de los ciclos de ingeniería discutidos anteriormente, cuya consideración es importante para cuantificar el resultado previsible de los proyectos de eficiencia energética que vamos a considerar para un establecimiento industrial.

Energía transmitida

Desde el momento en el que estudiamos un proyecto de recuperación de energía residual industrial debemos plantear cómo capturar la energía. Aunque varias tecnologías pueden ofrecer diferentes formas de recuperación de energía para su reutilización, las dos formas de energía que en último término están disponibles para su uso posterior, son la energía térmica y eléctrica.

Energía térmica

La energía térmica es uno de los dos tipos típicos de recuperación de energía obtenidos, usualmente en forma de calor.

Uno de los problemas con la energía térmica en forma de aire o agua calientes es que puede ser difícil convertir la energía en otras formas de energía útil. A bajos niveles, es por lo tanto solo utilizable para aplicaciones de calentamiento y enfriamiento. A niveles bajos, es por lo tanto utilizable únicamente en aplicaciones de calentamiento y enfriamiento.

Algunos ejemplos de utilización de energía residual industrial a baja temperatura son la aportación de energía a piscifactorías o para el cultivo bajo invernadero. Existen experiencias de reparto de energía térmica residual a distancias de hasta 2 km para este tipo de aplicaciones.

Energía eléctrica

La segunda forma de energía que típicamente se deduce de los procesos de energía térmica residual es la energía eléctrica. La electricidad tiene flexibilidad significativa en su uso y distribución sobre la energía térmica.

Puede impulsarse un amplio rango de aplicaciones ya sea en el proceso industrial o puede inyectarse en una red existente y ser distribuida eficientemente a grandes distancias.

La electricidad puede sólo ser realísticamente generada a altas eficiencias por medio de trabajo mecánico llevado a cabo en una turbina para producir trabajo mecánico y luego impulsar un generador eléctrico.

El efecto termoeléctrico puede también ser usado para generar electricidad, con sistemas como dispositivos de Peltier por ejemplo. Tienen ventaja sobre ciclos térmicos porque requieren pocas partes térmicas para su operación. Sin embargo tienen baja eficiencia en su operación cuando se comparan con los ciclos térmicos.

Ver 4ª PARTE