Diseñando un sistema solar térmico para procesos industriales (1ª PARTE)

El diseño de un sistema solar integrado en un proceso industrial requiere un análisis previo del proceso: Análisis de las edificaciones, análisis de las características del proceso y redes de distribución de calor, planes futuros de la compañía, análisis potencial para la optimización del proceso y medidas de eficiencia energética. Para el diseño de un sistema térmico solar generando calor de proceso industrial se recomiendan los siguientes pasos:

• Cálculo de la carga térmica del sistema solar. Es el cálculo de la energía térmica que la planta solar puede teóricamente proporcionar al proceso conectado.
• Perfil de la carga térmica total: Distribución temporal de la carga térmica.
• Determinación aproximadamente del área de colector y volumen de almacenamiento necesario para conseguir un punto de arranque adecuado para la simulación del sistema térmico solar.
• Realización de las simulaciones del sistema variando el tamaño del campo del colector, el tipo de colector y volumen de almacenamiento, posiblemente también el conepto de sistema térmico solar y los procesos soportados.
• Decisión para una variante del sistema térmico solar considerando relaciones económicas y técnicas y aspectos futuros de la compañía.

Integración de la aplicación solar en el proceso

En general, la integración de un sistema térmico solar a nivel de suministro puede ser distinguida de la integración a nivel de proceso. En la figura con la que abrimos este artículo ilustra entre el nivel de suministro y nivel de proceso y la integración del nivel de suministro.

En este ejemplo, todos los procesos se calientan por un circuito de agua caliente presurizada con una temperatura de flujo de 155 ºC. Independientemente de la integración de los sistemas solares a nivel de suministro, puede distinguirse entre sistemas de agua caliente (presurizada) y circuitos de vapor. Un sistema de agua caliente presurizado consiste principalmente en una caldera que calienta el retorno del circuito de agua. Un sistema térmico solar puede ser integrado para incrementar la temperatura correcta antes de la caldera por una conexión serie.

Existen varias posibilidades para integrar un sistema térmico solar a nivel de suministro en caso de que el calor se distribuya por el sistema de vapor. En primer lugar está la posibilidad de integrar en paralelo un sistema solar para generar vapor. En segundo lugar, la temperatura de agua de alimentación puede incrementarse. El agua de alimentación puede calentarse desde aproximadamente 100 ºC a 150 ºC después de la desgasificación, dependiendo de la presión de vapor que se produce dentro de la caldera. Sin embargo, el precalentamiento del agua de alimentación de la caldera usualmente se consigue con un economizador que usa el calor residual de los gases de escape. La tercera posibilidad es el precalentamiento del agua del agua de alimentación antes de entrar en la desgasificación.

Existen varias posibilidades para integrar un sistema térmico solar a nivel de suministro en caso de que el calor se distribuya por un sistema de vapor. La primera posibilidad es la integración paralela de un sistema térmico solar para generar vapor. En segundo lugar, la temperatura del agua de alimentación puede incrementarse. El agua de alimentación puede calentarse desde aproximadamente 100 ºC a 150 ºC después de la desgasificación, dependiendo de la presión de vapor que se produce dentro de la caldera. Sin embargo, el precalentamiento del agua de alimentación de la caldera usualmente se lleva a cabo por un economizador que usa el calor residual de los gases de escape.  La tercera posibilidad es el precalentamiento del agua de reposición antes de la entrada en la desgasificación si se necesita una cantidad suficiente de agua de reposición pero no existen posibilidades de recuperación de calor.

Las posibilidades más prometedoras para integración de calor solar tanto a nivel de suministro como a nivel de procesos necesitan ser identificadas en orden a justificar las configuraciones del sistema para el estudio de la simulación. El análisis de los sectores industriales muestra que existen muchos procesos similares a través de varios sectores que parecen ser prometedores para la integración del calor solar. Adicionalmente, procesos similares pueden ser categorizados en aplicaciones típicas para el calor de proceso solar en sectores industriales.

Muchos de estos procesos pueden ser categorizados en las tres siguientes aplicaciones:

•  Calentamiento de chorros de fluidos:  Esta aplicación incluye procesos donde un chorro de fluido frío (o precalentado) tienen que ser calentados a una cierta temperatura. Estos procesos pueden encontrarse en casi todos los sectores industriales, ej. lavado y limpieza.
• Calentamiento de depósitos: Estos procesos tienen en común que un depósito con un líquido puede calentarse a una cierta temperatura y mantener esta temperatura durante las horas de producción. Estos procesos pueden encontrarse en casi todos los sectores industriales. Estos procesos pueden encontrarse en casi todos los sectores industriales. Ejemplos son escaldado, pasteurización, desengrasado y tratamiento superficial.
• Procesos de separación térmica: Esta aplicación incluye secado con secadores convectivos y de contacto cubriendo la mayoría de las instalaciones de secado además de evaporadores que se usan para destilación y rectificación además de procesos de evaporación general.

Para la aplicación del “calentamiento de chorro de fluidos” la configuración más común para la descarga del sistema térmico solar o el calentamiento del proceso es el uso de un intercambiador de calor de placas como el de la siguiente figura:

La instalación de un intercambiador de calor externo es a menudo necesaria debido a que en muchos casos no hay espacio para la instalación de intercambiadores de calor internos en los recipientes industriales. El calentamiento con un intercambiador de calor externo es a menudo la mejor elección para reformar instalaciones existentes y es el método más común para las aplicaciones de calor de proceso solar. El uso de un intercambiador de calor de placas no es posible en algunos casos debido a que el fluido utilizado está contaminado con partículas. En estos casos puede utilizarse un intercambiador de calor de haz tubular.

La diferencia principal resultante del uso de un intercambiador de haz tubular o un intercambiador de calor interno comparado con un intercambiador de calor de placas planas es una diferencia de temperatura mayor para el calentamiento de un proceso específico.

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