Ver 1ª PARTE
El
precalentamiento de aire de la combustión puede incrementar la eficiencia del
horno tanto como un 50 %. Otra ventaja de la recuperación de calor residual es
que puede reducir los requerimientos de capacidad para los dispositivos de
conversión térmica de las instalaciones, llevando a una reducción en los costes
de capital. Por ejemplo, consideremos el caso de los gases de escape de
combustión usados para calentar el aire el aire de calentamiento para el
calentamiento del espacio. Además de sustituir el combustible, el calor
residual recuperado puede potencialmente eliminar la necesidad de equipos de
calentamiento del espacio, reduciendo los costes de capital.
Factores afectando a la factibilidad de
recuperación de calor residual
La evaluación de la factibilidad de la
recuperación de calor residual requiere caracterizar la fuente de calor
residual y el fluido al que el calor se transfiere. Los parámetros del calor
residual que deben determinarse incluyen:
- Cantidad de calor.
- Calidad/temperatura del calor.
- Composición.
- Temperatura mínima permitida.
- Programación de la operación, disponibilidad y logística.
Cantidad de calor
El contenido
de calor es una medida de cuanta energía está contenida en el calor residual,
mientras que la calidad es una medida de la utilidad del calor residual,
mientras que la calidad es una medida de la utilidad del calor residual. La
cantidad de calor residual es una función tanto de la temperatura como del
caudal másico del fluido:
Donde E es
la pérdida de calor residual (Btu/hr); m es el caudal másico residual (lb/hr);
y h(t) es la entalpía específica del flujo residual (Btu/lb) como una función
de la temperatura.
La entalpía
no es un término absoluto, sino que debe ser medido contra un estado de
referencia (por ejemplo, la entalpía de una sustancia en la temperatura de la
habitación y presión atmosférica). La entalpía de los chorros de calor residual
se calculan a la presión atmosférica y dos temperaturas de referencia: 25 ºC y
150 ºC. Una referencia de 25 ºC se usa para proporcionar una base para estimar
el máximo calor alcanzable si un gas se enfría a temperatura ambiente. La
segunda temperatura de referencia 150 ºC es más representativa de las prácticas
industriales actuales ya que la mayoría de los sistemas de recuperación no
enfrían los gases bajo este valor.
Aunque la
cantidad de calor residual disponible es un parámetro importante, no sólo es
una medida efectiva de la oportunidad de recuperación de calor residual.
También es importante especificar la calidad del calor residual, que viene
determinada por su temperatura.
Calidad/temperatura del calor residual
La
temperatura de calor residual es un factor clave determinando la factibilidad
de recuperación de calor residual. Las temperaturas de calor residual pueden
variar significativamente, con el retorno de agua de refrigeración teniendo
temperaturas bajas de alrededor de 40 – 90 ºC y los hornos de fusión de vidrio
teniendo temperaturas de los humos por encima de 1320 ºC. En orden de permitir
transferencia y recuperación de calor, es necesario que la temperatura de la
fuente de calor residual sea mayor que la temperatura del disipador de calor.
Además, la magnitud de la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y
el disipador es un determinante importante de la calidad del calor residual. La
diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el disipador es un
determinante importante de la calidad del calor residual. La diferencia de
temperatura de disipador y fuente influye en a) la tasa a la que el calor se
transfiere por área de superficie unitario del intercambiador de calor, y b) la
máxima eficiencia teórica en la conversión térmica desde la fuente de calor a
otra fuente de energía (ej. mecánica o eléctrica). Finalmente, el rango de
temperatura tiene ramificaciones importantes para la selección de materiales en
los diseños del intercambiador de calor.
Las
oportunidades de recuperación de calor residual se categorizan dividiendo
rangos de temperatura en fuentes de calor residual de alta, media y baja
calidad de la siguiente forma:
·
Alta: 649 ºC y superior.
·
Media: Entre 232 º C y 650 ºC.
·
Baja: 232 ºC e inferior.
Algunas
fuentes típicas de calor residual de baja, media y alta temperatura vienen
listadas en la siguiente tabla, junto con las ventajas, barreras y tecnologías
aplicables.
Rango de temperaturas
|
Ejemplo
|
Temp (ºC)
|
Ventajas
|
Desventajas/barreras
|
Tecnologías de recuperación
|
Altas temperaturas
>650
ºC
|
Hornos de refinado
de níquel.
|
1370-1650
|
Energía de alta
calidad, disponible para un diverso rango de usuarios finales con
requerimientos de temperatura diversos.
Generación de
energía de alta eficiencia.
Tasa de transferencia
de calor alta por unidad de área.
|
Las altas
temperaturas crean un incremento de tensión en los materiales de intercambio
de calor
|
Precalentamiento
del aire de la combustión.
Generación de vapor
para calentamiento de procesos o para trabajo mecánico/eléctrico.
Precalentamiento de
carga del horno.
|
Horno de arco
eléctrico de acero.
|
1370-1650
|
||||
Horno de oxígeno
básico.
|
1200
|
||||
Horno de
reverberación de aluminio.
|
1100-1200
|
||||
Horno de refinado
de cobre.
|
760-820
|
Corrosión/actividad
química incrementada
|
|||
Horno de
calentamiento de acero.
|
930-1040
|
||||
Horno de
reverberación de cobre.
|
900-1090
|
||||
Plantas de
hidrógeno.
|
650-980
|
||||
Incineradores de
humos.
|
650-1430
|
||||
Hornos de fusión de
vidrio.
|
1300-1540
|
||||
Hornos de coque.
|
650-1000
|
||||
Temperaturas medias
260-650
ºC
|
Gases de escape en las calderas de
vapor
|
230-480
|
Más compatible con los materiales de
los intercambiadores de calor.
|
Precalentamiento del aire de la
combustión
|
|
Gases de escape de los motores
recíprocos.
|
370-540
|
Generación de energía eléctrica/vapor
|
|||
Hornos de tratamiento térmico.
|
320-590
|
Es viable la generación de energía
eléctrica
|
Ciclo de Rankine Orgánico para
generación de energía eléctrica
|
||
Hornos de secado y cocción
|
430-650
|
Precalentamiento de la carga del horno.
|
|||
Horno de cemento
|
230-590
|
Precalentamiento del agua de
alimentación.
|
|||
450-620
|
Transferencia a procesos a baja
temperatura.
|
||||
Temperaturas bajas
< 230 ºC
|
Recuperación de la salida de gases en
calderas de gas, hornos de etileno, etc.
|
70-230
|
Grandes cantidades de calor a baja
temperatura contenida en numerosos productos
|
Pocos usos para el calor a baja
temperatura.
|
Calentamiento de espacios.
|
Condensado de vapor del proceso
|
50-90
|
Generación de energía eléctrica de baja
eficiencia.
|
Calentamiento de agua doméstico.
|
||
Agua de refrigeración de puertas de
hornos.
|
30-50
|
Actualización
vía bomba de calor para incrementar la temperatura para uso final.
|
|||
Agua de refrigeración de hornos de
recocido.
|
70-230
|
Para los escapes de combustión, la
recuperación de calor de baja temperatura no es practicable debido a la
condensación de ácido y corrosión del intercambiador de calor.
|
Ciclo de Rankine Orgánico.
|
||
Agua de refrigeración de compresores de
aire
|
30-50
|
||||
Motores de combustión interna
|
70-120
|
||||
Condensadores de aire acondicionado y
refrigeración
|
30-40
|
||||
Hornos de secado, cocido y curación.
|
90-230
|
||||
Sólidos/líquidos procesados en caliente
|
30-230
|
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