Aplicaciones avanzadas para el suministro de calor solar a un proceso industrial

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.

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