26 agosto 2013

Oportunidades para la recuperación de energía residual en la industria (2ª PARTE)




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.
En este nuevo artículo identificamos las prácticas de recuperación de calor residual en el sector industrial. Numerosas fuentes indican que un porcentaje significativo de entradas de energía industrial (20 – 50 %) se pierde en calor residual.

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




Ver 3ª PARTE

Publicar un comentario en la entrada