29 junio 2013

Guía para plantear proyectos con sistemas de recuperación de energía térmica residual industrial (5ª PARTE)

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Bombas de calor
Las bombas de calor operan usando los mismos ciclos de refrigeración descritos en apartados anteriores. El ciclo de compresión de vapor es la aplicación más común.
La premisa básica de operación es que las bombas de calor toman ventaja de las propiedades de sus fluidos de trabajo en un sistema de bucle cerrado. Establecer un bucle cerrado tiene el potencial para dos distintos modos de operación. El primer modo de operación es mover energía de un lugar más frío a un lugar más caliente y esto es la operación de la bomba de calor típica. El segundo modo de operación (la inversa de la bomba de calor) es donde la energía térmica se mueve desde el lugar más caliente a un lugar más frío. Para equipos de bomba de calor, esto es conocido para aire acondicionado.
En la figura con la que abrimos el artículo vemos el esquema de una bomba de calor básica que es remarcablemente similar al ciclo de compresión de vapor. Los componentes esenciales son un condensador, evaporador, válvula de expansión y compresor. Si la bomba de calor se usa para proporcionar modo de enfriamiento, además de calentamiento del espacio, un quinto componente – una válvula inversa – necesita ser incluido en el sistema, para permitir un cambio en dirección del fluido de trabajo a través del condensador y evaporador.
El rendimiento de la bomba de calor se mide por el coeficiente de rendimiento o COP. Éste mide el ratio entre la energía suministrada al fluido de trabajo (usualmente en forma de energía eléctrica) y la energía térmica útil que se transmite a la salida de la bomba de calor en el área que se está calentando o enfriando.
La ecuación siguiente demuestra esto:

La fuente de energía térmica para una bomba de calor puede venir de un fluido, por ejemplo agua o aire, o la bomba de calor puede usar una fuente geotérmica, tal como el suelo.
Una segunda cuestión relativa a la operación de la bomba de calor es que las bombas de calor de fuente aire tienen algunos problemas significativos a muy bajas temperaturas, donde se intenta quitar energía del aire a temperaturas del aire inferiores a 273 ºK ya que la humedad en el aire comenzará a congelarse y se acumularán en el intercambiador de calor colocado en el exterior.
Generación eléctrica
La energía eléctrica es el tipo más flexible de energía que puede producirse de una fuente de calor residual.
Un ejemplo de esta conversión es posiblemente el perfil más alto y por numerosas razones puede ser el sistema principal para recuperar residuos. Mencionemos como ejemplo en primer lugar las centrales de potencia con turbinas de gas de ciclo combinado.
Las turbinas de gas de ciclo combinado utilizan dos ciclos de ingeniería. El primero de estos ciclos es típicamente un ciclo de Brayton trabajando en el interior de una turbina de gas. El segundo ciclo es un ciclo de Rankine basado en agua usando gas de los humos desde la turbina de gas en el ciclo inicial para elevar a vapor.
Típicamente una planta de ciclo combinado con turbina de gas consiste en lo siguiente. Una turbina de gas es alimentada por aire y el combustible entrante. A esto sigue el ciclo de Brayton del aire (o fluido de trabajo) que se comprime y luego se mezcla con el combustible en la cámara de combustión para ser quemado. El resultado del proceso de combustión entra en la turbina, para producir trabajo mecánico, para hacer funcionar el compresor de aire y generar electricidad. Los gases de humos, que en condiciones normales son tirados a la atmósfera, entran en un intercambiador de calor para elevar el fluido de trabajo de agua a vapor a alta presión y alta temperatura. Como la turbina emite gases de escape a temperaturas relativamente altas – a alrededor de 900 ºK, puede elevarse suficiente vapor ya que imita el ciclo de Rankine de una central nuclear tradicional.
El segundo ciclo, ve una eficiencia total de hasta un 60 % que puede alcanzarse reutilizando el calor residual del equipo de escape de la turbina de gas. Sin esta elevación de vapor, la eficiencia de una turbina de gas con parámetros de operación estándar sería de hasta un 36 %.
Un segundo ejemplo de generación de electricidad desde un recurso de calor residual viene en forma de ciclo de Rankine orgánico. Esta situación tiene lugar donde no hay bastante energía para elevar el agua para hacer funcionar una turbina de vapor de alta presión convencional pero puede utilizarse otro fluido para hacer funcionar la turbina.
CRITERIOS DE PROCESOS DE SELECCIÓN
Al considerar un proyecto de recuperación de calor residual hay numerosos criterios que deben considerarse desde un punto de vista comercial. Los factores de selección potencial son explicados en los siguientes apartados.
Tipo de energía transmitido en procesos secundarios
Con los numerosos tipos de energía recuperable que están disponibles, tanto energía eléctrica como térmica pueden en último término recuperarse y utilizarse como se indica en los capítulos anteriores. Los criterios a considerar son los siguientes:
Valor de la energía recuperada y reducción en consumo
Un análisis de sensibilidad básico es la herramienta ideal para comparación de un rango de escenarios implicando fluctuaciones potenciales en el valor de la energía recuperada vs el coste de la energía desde fuentes externas.
Cantidad de calor
Se define como la cantidad de energía residual expendida del proceso primario, a la salida del sistema inicial y se mide en kW.
Calidad del calor
Se define como la temperatura del calor residual que puede transmitirse a la entrada de la planta de recuperación de calor residual, después de ser expendido del proceso inicial.
Disponibilidad de calor
Funciona siempre el proceso que produce el calor residual u opera como una parte del sistema.
¿Cuáles son los periodos del año en los que no hay energía por mantenimiento?

¿Hay garantías del calor residual que se ofrece?

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