Optimización Energética en Procesos Industriales: Cogeneración y Calentadores

Cogeneración

La cogeneración es el proceso de aprovechamiento de la energía residual (que normalmente se desecharía) cuando se está produciendo energía eléctrica o mecánica, para otros usos industriales o domésticos. Con este proceso se obtienen eficiencias energéticas en el entorno del 90 %.

Por ejemplo, se puede aplicar a una central térmica mediante el siguiente proceso: el combustible arde, calentando el agua y produciendo vapor a presión que mueve la turbina. Esta, a su vez, hace girar el alternador, que produce electricidad. Para que la turbina funcione correctamente, hay que enfriar el vapor que la ha atravesado. En vez de enfriar este vapor sin más, se coloca un intercambiador de calor que permite su aprovechamiento para otros fines, como calefacción, cocción de alimentos, calentamiento de agua, etc.

Sistemas de Cogeneración

Muy empleado en la industria, se comercializan dos modelos:

• Cogeneración mediante motor de ciclo diésel. Un motor diésel normal al que se acopla un alternador para producir electricidad. El calor del motor es conducido por canalizaciones para usarlo en diferentes procesos industriales.
• Cogeneración mediante turbina de gas (vapor). Para potencias superiores a 1 MW. Funciona como los reactores de un avión, usando gas natural, biogás, gasóleo y queroseno. Los gases calientes se hacen pasar por un intercambiador de calor para su aprovechamiento.

Instalación de Transformación de Energía: Calentador

El proceso de modelización de un calentador de gas natural consta de tres pasos: determinación del rendimiento de la instalación, análisis del funcionamiento y la modelización propiamente dicha.

Determinación del Rendimiento de la Instalación

Para averiguar el rendimiento, controlaremos el consumo de energía (volumen de gas) para calentar una determinada cantidad de agua a una temperatura. Pasos:

• Anotamos la lectura del contador del gas, la presión de suministro (1,4 kg/cm²) y la temperatura exterior.
• Se pone el contador en marcha y se calientan 500 litros de agua.
• Con un termómetro se averigua la temperatura del agua fría y caliente.

A partir de estos datos se puede calcular el rendimiento:

Como ejemplo, tenemos: a) consumo gas = 1,303 m³; b) V_agua = 500 l → m_agua = 500 kg; c) t _ext. = 24 ºC (temperatura del combustible); d) t_{agua fría.} = 14 ºC; e) t_{agua calentada.} = 35 ºC

P_{c (real)} = P_c∙p ∙[273 / (273 + T)] = 8540 kcal/m³∙1,4 ∙[273 / (273 + 24)] = 10.989,86 kcal/m³

E_suministrada = P_{c (real)}∙V = 10989,86 kcal/m³ ∙1,303 m³ = 14.319,79 kcal.

E_útil = m ∙C _e∙(T_f – T_i) = 500 kg ∙1 kcal/kg ∙ºC (35 ºC – 14 ºC) = 10.500 kcal

η = E_u / E_s = 10.500 kcal / 14.319,79 = 0,73 = 73%

Análisis del Funcionamiento

La parte más interesante es la correspondiente al intercambiador de calor, es decir, ¿cómo se transmite el calor de combustión al agua que pasa por los tubos en zigzag?

A pesar de que el aluminio tiene un coeficiente de conducción menor que el cobre, las aletas del intercambiador son de este material para evitar la oxidación, pese a perder energía.

Modelización de la Instalación

Consiste en crear un modelo real o teórico de la instalación que mejore su funcionamiento y, por lo tanto, su rendimiento. En teoría, este sería del 100% si el aire que saliera por la chimenea estuviera a la temperatura ambiente, con lo que todo el calor producido sería absorbido por el agua. Esto nunca es así.

Dos posibles soluciones para mejorar el rendimiento serían: