Los procesos térmicos en la
industria se calientan convencionalmente usando unas pocas estrategias de
aportación de calor que pueden aprovecharse si vamos a utilizar calor solar.
Los intercambiadores de calor externos o internos son especialmente importantes
para la sustitución de combustibles sólidos por energía térmica solar. Además
de estas tecnologías, los evaporadores y secadores son también importantes.
En este nuevo artículo sobre la
utilización de energía solar en la industria nos vamos a centrar en los
diferentes procesos de intercambio que están disponibles.
Tipos de intercambiadores de calor en la industria
En los procesos industriales se
utilizan diferentes tipos de intercambiadores de calor externos. La selección
depende de las temperaturas y presiones aplicadas, cambio de fase, espacio
disponible, o propiedades específicas del medio térmico tales como viscosidad y
corrosividad. Los tipos más comunes son tubulares, compactos y de superficie
extendida.
El intercambiador más común es el
tubular, fabricados con una camisa tubular que encierra un haz de tubos. Los
intercambiadores de calor con placa o espiral son convenientes para medios con
diferente viscosidad.
En la figura con la que abrimos
el artículo mostramos algunos ejemplos de intercambiadores de calor externos.
Basado en la aplicación específica, el intercambiador de calor se usa para
calentar un producto o medio de proceso.
Además de los intercambiadores de
calor externos, máquinas y depósitos pueden abastecerse de energía térmica
usando intercambiadores de calor internos. Los más importantes son camisas,
serpentines calefactores, y haces de tubos. La utilización de camisas está
limitada a una presión del medio de transferencia de calor hasta 6 bares y
tamaños de depósitos de hasta 10 m3. Para volúmenes más grandes
suelen usarse serpentines soldados. Algunos ejemplos de estos intercambiadores
son los que mostramos en la siguiente figura:
Las camisas calefactoras pueden encontrarse con diferentes variantes, pueden ser tuberías soldadas, camisas completas o camisas con hoyuelos.
Los serpentines calefactores son
la forma más simple y barata de intercambiadores de calor. Un tubo se une
helicoidalmente alrededor de un cilindro, su capacidad puede ser afectada por
el paso y diámetro del tubo, la tasa de transferencia de calor específica es
bastante baja debido al bajo flujo de caudal en el exterior del tubo.
Los serpentines de panel o placa
se clasifican como intercambiadores de calor compactos, su principal campo de
aplicación corresponde a los intercambiadores de calor internos. A menudo se
usan como elementos de calefacción eléctricos o camisas de calefacción para
calentar recipientes o baños. Basándose en el material utilizado, son posibles
presiones de operación entre 7 y 18 bares. Debido al proceso de producción simple,
este tipo de intercambiador de calor es muy barato. En principio, los elementos
de calefacción eléctricos son capaces de proporcionar muy altas temperatura.
Sin embargo, también se usan para proporcionar rangos de temperatura más bajos
por razones de procedimiento. Los de tipo varilla o tubería pueden colocarse en
fluidos para calentarles.
Sistemas de calentamiento directo
Hay dos tipos importantes de
sistemas de calefacción directos: combustión directa e inyección de vapor.
Usando sistemas de combustión directa, la llama y los humos procedentes del
quemador son dirigidos a la instalación que va a calentarse y transfieren el
calor al producto o medio de proceso.
La inyección de vapor directa
puede usarse para calentar baños, tanques, y chorros de fluidos o proporcionar
una atmósfera de aire-vapor. El calentamiento directo de baños o recipientes
vía vapor puede realizarse mediante inyección de vapor en el fondo del
recipiente/baño usando tubos perforados y serpentines.
Evaporadores y secadores
Los evaporadores y secadores
pueden estar equipados con intercambiadores de calor internos o externos y
pueden ser categorizados dentro de su propio grupo. Ya que a menudo se
calientan usando mecanismo de calefacción especiales, pueden considerarse
separados y no basados en la colocación del intercambiador de calor.
Los tipos de evaporador pueden
clasificarse de acuerdo con los mecanismos de evaporación. Tipos importantes de
evaporadores son calderín hervidor, evaporador de circulación forzada y natural
y evaporador de película ascendente o descendente. Se usan también evaporadores
de vapor calentado en continuo, que a menudo están diseñados como sistemas de
evaporación de efecto múltiple.
Para el secado, se usan multitud
de tipos de secadores diferentes dentro de la industria que pueden diferir
significativamente en construcción y modo de operación. Los secadores se
clasifican en convectivos, por contacto, radiación, dieléctricos y por
congelación. Pueden ser alimentados con energía térmica. Los secadores
convectivos principalmente usan aire que se calienta para secar los productos.
Los secadores por contacto usan superficies calientes que están en contacto
directo con el producto. Estas superficies tales como cilindros, placas o
tornillos, se calientan principalmente por vapor.
Conceptos de bombas de calor en la industria
Las bombas de calor son un
concepto interesante para suministrar calor en la industria, ya que pueden
suministrar calor a procesos industriales (basado en el calor residual
disponible), suministran frío a los procesos y pueden integrarse con sistemas
térmicos solares.
Las bombas de calor son
dispositivos que son capaces de llevar chorros de calor de una fuente caliente
a la “heat sink” a un nivel de temperatura más alto a través de la entrada de
una energía de alta calidad. Están diseñados para mover energía en oposición a
la dirección de un flujo de calor espontáneo de un espacio frío a un espacio más
caliente.
Termodinámicamente hablando,
toman la energía (energía no útil que no puede ser transferida a trabajo útil)
desde la fuente de calor y la exergía de un compresor para generar un chorro de
calor a un nivel de temperatura útil en el disipador de energía. En general,
las bombas de calor usan un medio en un ciclo cerrado que se somete a un cambio
de fase a dos presiones diferentes. La evaporación tiene lugar a baja presión y
baja temperatura. A través de la compresión del fluido evaporado, la
temperatura de condensación se eleva y la condensación del fluido tendrá lugar
a una temperatura más alta. Diferentes bombas de calor usan tecnologías
diferentes para la compresión.
El rendimiento máximo de tal
bomba de calor viene dado por la “Ley de Carnot” y los niveles de temperatura.
La eficiencia se expresa por el Coeficiente de rendimiento COP. El límite
teórico es el COP de Carnot:
Bombas de calor de compresión de vapor
En bombas de calor de compresión
de vapor un compresor mecánico realiza la compresión. El accionamiento de un
compresor es en general un motor eléctrico, pero puede ser un motor de
combustión o una turbina de vapor como fuente.
Ilustración 1.
Bomba de calor de compresión de vapor de ciclo cerrado
La cantidad de calor útil es
igual al COP del sistema y la cantidad de energía eléctrica consumida por el
compresor es:
Bombas de calor de absorción
En las bombas de calor de
absorción, la compresión del fluido ocurre de forma diferente. El fluido de
trabajo evaporado viene absorbido por un líquido (llamado “solución probre”),
liberando el calor de absorción (aproximadamente igual al calor de
condensación). La solución fuerte resultante es bombeada a una presión más alta
al generador. Aquí el fluido de trabajo es desorbido por el calor de alta
temperatura, produciendo el vapor que va al condensador, y la solución que
vuelve al evaporador por una parte, y la “solución pobre” que vuelve al
evaporador por otra. El consumo de
potencia de las bombas es
comparativamente pequeño. La potencia de accionamiento no la produce un
dispositivo mecánico, sino el calor suministrado al generador. El consumo de
potencia de las bombas es relativamente pequeño.
Bombas de calor de ciclo abierto
En algunas aplicaciones
industriales, un medio de proceso puede usarse como fluido de trabajo. Un buen
ejemplo es el proceso de evaporación donde el vapor del evaporador se usa como
fluido de trabajo. El vapor se comprime para incrementar la temperatura de
condensación y luego puede usarse como medio de calefacción en el mismo
proceso.
Bomba de calor trabajando como deshumidificador
Hay otra posibilidad para usar
las bombas de calor en el proceso de secado, y para ello se montan y usan como
un deshumidificador.
En este caso, el medio de secado
(aire en general) se enfría en el evaporador de la bomba de calor bajo el punto
de rocío. El medio liberará la humedad como condensado líquido, que se saca del
secador. El ahora aire seco es recalentado en el condensador y soplado de nuevo
al secador. Ya que la diferencia entre evaporador y condensador puede ser muy
pequeña, el COP de tal sistema será bastante alto.
Almacenamiento térmico en la industria
Para almacenar energía térmica
para los requerimientos de proceso, el almacenamiento de agua es con mucho la
tecnología dominante. Estos almacenamientos de agua caliente pueden ser
convenientes para la integración de calor solar. Existen diferentes
configuraciones de estos almacenajes.
Por otra parte, hay
almacenamientos con volumen fijo y variable que puede cargarse y descargarse
con agua caliente. En estos almacenamientos abiertos, la carga no ocurre sólo
usando energía térmica, sino también con agua caliente como medio. En la
mayoría de estos almacenamientos, el nivel de almacenamiento varía de acuerdo
con el comportamiento de llenado y vaciado. Ellos están usualmente equipados
con sensores para nivel de almacenamiento mínimo y sobrecaudal. Ya que la carga
y descarga de estos almacenamientos puede ocurrir en un tiempo relativamente
corto con altos caudales, estos almacenamientos no pueden ser estratificados
comparados con el almacenamiento solar.
Por otra parte, hay un
almacenamiento buffer cerrado que es energéticamente cargado y descargado.
Usualmente estos almacenamientos se calientan usando intercambiadores de calor
internos y externos. Tal almacenamiento puede ser conectado a varios procesos o
unidades de suministro de energía cargando y descargando. Ellos están
usualmente mejor estratificados que el almacenamiento abierto, y en principio,
el calor solar puede ser bien integrado junto a los puertos existentes de carga
y descarga. Una multitud de ambos tipos de almacenamiento (abierto y cerrado)
pueden ser conectados en serie o paralelo para cubrir la demanda de la
compañía.
Otro tipo de almacenamiento común
en la industria es la cascada de agua caliente. Este tipo se usa para
proporcionar agua caliente a través de la utilización directa de vapor. Una
cascada de agua caliente es usualmente un almacén vertical que es alimentado
con el retorno de agua caliente en la parte superior.
Una multitud de tipos de
almacenamiento (abierto o cerrado) pueden ser conectados en serie o paralelo
para cubrir la demanda de la compañía.
Otro tipo común de almacenamiento
en la industria es la cascada de agua caliente. Este tipo se usa para
proporcionar agua caliente a través de la utilización directa de vapor. Una
cascada de agua caliente es usualmente un almacén vertical que se alimenta con
el retorno de agua caliente en la parte superior. Los chorritos retornan sobre
placas perforadas se calienta por vapor en contracorriente.
Ver 2ª PARTE
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