Para tener una mejor idea de cómo se distribuye y consume toda la energía térmica en el horno industrial, es necesario evaluar un balance de energía en el equipo industrial considerando primero un análisis del proceso sin Recuperador de Calor y luego un análisis con el Recuperador de Calor.
Siguiendo el proceso que realiza el horno industrial que consiste en calentar el planchón que entra a temperatura ambiente y sale a una temperatura de 1200 °C en promedio para luego ser laminado; luego el precalentador de aire de combustión eleva la temperatura del aire entre 400 y 500 °C y finalmente se elimina los gases de combustión al ambiente, se tiene el siguiente esquema (figura 4.15):
Comentarios: para un flujo constante de gas natural se puede presentar el caso de que la temperatura de salida de gases de combustión fluctúa en el tiempo, en las gráficas se observa que efectos que se tiene a la hora de generar refrigeración por absorción.
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Ahora se necesita evaluar el calor que se tiene de la combustión evaluado hasta la temperatura ambiente que sería el calor total hasta llegar al equilibrio con el ambiente, luego se necesita evaluar el calor de reacción hasta la temperatura de 350 °C que es el calor que se tiene en el horno industrial aprovechado por el planchón y el pre calentador de aire, el restante son las pérdidas que se tienen en las paredes del horno, ducto de la chimenea, eficiencia del pre calentador de aire, etc.
Las ecuaciones que se utilizan para evaluar el balance de energía en el horno industrial son:
Fórmula Unidades Ecuación
Qcomb = mGN x LHV@25°C [kW] Eq. 4.22
Qrxn = mGN x (Hprod – Hreact) [kW] Eq. 4.23
Q planchón = mp x (hsal – hent) [kW] Eq. 4.24
Q aire = maire x (hsal – hent) [kW] Eq. 4.25
Q recup= mGC x (hsal – hent) [kW] Eq. 4.26
Q amb = mGC x (hsal@25°C – hent) [kW] Eq. 4.27
Q paredes, otros = Q rxn – Q planchón – Q aire [kW] Eq. 4.28
1 & . " 1 %
Considerando los valores de temperatura de la figura 4.14 y datos de consumo de la tabla 4.14.
Cálculo del calor total disponible del gas natural:
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Cálculo del calor aprovechado en el horno industrial hasta temperatura de salida de la chimenea:
Q rxn = 0.742 kgGN/s x (45,670 – 4,753) kJ/kgGN = 30,360 kW
Cálculo del calor liberado al ambiente a la salida de la chimenea:
Q amb = Q comb – Q rxn = 35,702 – 30,360 = 5,342 kW
Cálculo del calor aprovechado por el planchón:
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Se utiliza un valor promedio de la producción de planchones que son datos que se obtienen de la base de datos.
Q planchón = 27.78 kg/s x (808.23 – 0) = 22,451 kW
Cálculo del calor aprovechado en el pre calentador de aire:
1 & < / " / % 1 " mplanchón 100 Tn/hr Tent 25 °C Tsal 1,200 °C MW Fe 55.85 Kg/kmol hent L0.781 cal/átomo hent L0.014 Kcal/kg hent L0.06 kJ/kg hsal 10,788 cal/átomo hsal 193.17 Kcal/kg hsal 808.23 kJ/kg
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Q aire = 13.423 kgaire/s x 12,840 kJ/kmolaire x 1 kmolaire / 28.85 kgaire = 5,974 kW Cálculo del calor perdido en las paredes, ductos, precalentador de aire, etc.:
Q paredes, otros = 30,360 kWrxn – 22,451 kWplanchon – 5,974 kWaire = 1,935 kW
De esta manera se tiene las siguientes gráficas de distribución del calor de combustión sin considerar la recuperación de calor:
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De la figura 4.16 se observa cómo se distribuye el calor en el horno industrial, de toda la energía disponible de la combustión del gas natural se tiene que el 80% es aprovechado entre el planchón (63%) y el precalentador de aire (17%), un 5% de la energía disponible es “desperdiciada” en las paredes refractarias y demás elementos que se tiene en el horno industrial y el restante 15% es eliminado por la chimenea y es el calor que se quiere aprovechar.
Ahora se considera el calor que se aprovecha de los gases de combustión que se eliminan al ambiente.
Cálculo del calor recuperable a la salida de la chimenea:
Q recup = 14.165 kgGC/s x (6357 kJ/kmolGC x 1 kmolGC / 27.79 kgGC) = 3,240 kW
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De la figura 4.17 se observa que al recuperar el calor disponible en la chimenea se aumenta en un 9% el calor aprovechable que se tiene de la combustión el gas natural. Se debe mencionar que estos valores son estimados ya que la producción de planchón es también una variable que depende de las necesidades de producción que requiera la planta. Otra forma de presentar los resultados del balance de energía son:
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El siguiente paso a seguir es evaluar económicamente el sistema de recuperación de calor, en este caso el proyecto consistiría en reemplazar los equipos de refrigeración de compresión eléctricos que se tiene en la empresa por el sistema de recuperación de
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calor para generar refrigeración por absorción. Este punto es también muy importante ya que se debe estimar los costos de los diferentes equipos, así como también los costos de operación, se deben tomar en cuenta factores como mano de obra, disponibilidad de equipos en el mercado, ámbito reglamentario de la empresa y de la región, impacto social y ambiental previsto entre otros.
4.8 Conclusiones y Recomendaciones
→ Se cuenta con las herramientas necesarias para poder realizar estimaciones de recuperación de calor ya sea para generar vapor, refrigeración ó electricidad.
→ En los cálculos realizados se menciona la importancia de contar con una base de datos del equipo industrial y además realizar un análisis estadístico adecuado que me permita estimar y obtener valores representativos del equipo que se quiere analizar.
→ Se presentan los resultados termodinámicos y económicos de las opciones que se han analizado en el proyecto, se pueden observar sus ventajas y limitaciones de cada uno y los criterios tanto termodinámicos y económicos para seleccionar la opción más adecuada para la empresa.
→ El modelo realizado permite hacer estimaciones de variables fluctuantes en el tiempo como flujos de gas natural, temperatura de gases de combustión y exceso de aire que permite observar al evaluador cómo afectan a la cantidad de calor que se puede recuperar en la chimenea.
→ En el balance de energía se observa que las pérdidas que se tiene dentro del horno representan un área de oportunidad y mejora muy importante, se debe analizar donde se pierde ese calor y ver si se puede recuperar. Se estiman que las pérdidas son a través de los ductos de la chimenea, precalentador de aire, agua de enfriamiento, los rodillos que están dentro del horno y transportan los planchones, entre otros.
→ Para la validación del modelo realizado en Excel se tomó como parámetros de referencia los ejercicios del libro de termodinámica de Yunus Cengel, se comparó los resultados presentados con el software Thermoflex Lite V.17 presentándose variaciones de 1% a 5% que resulta un valor aceptable, esto puede ser debido a dos factores importantes: uno los valores de las propiedades termodinámicas de los elementos que se utilizan como ser el peso molecular, entalpía de formación, entre otros; y las ineficiencias de los equipos (bombas, motores, intercambiadores, etc) que asume el programa de Thermoflex.
4.9 Bibliografía
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[3] J. M. CANO MARCOS, “Refrigeración por Absorción. Interés energético e impacto ambiental”, Artículo Técnico, Energuia Journal, 2001.
[4] HEROLD E.K, RADERMACHER R, KLEIN S.A., “Absorption Chillers and Heat Pumps” CRS Press; 1996.
[5] F. CORTES, “Diseño de un Enfriador con el Sistema de Absorción Agua/Bromuro de Litio operado con Energía Solar”, Tesis de Maestría, ITESM Campus Monterrey, 2007. [6] A. R. CASTILLO, “Programación de un simulador dinámico para un sistema de refrigeración por absorción”, Tesis de Maestría, ITESM Campus Monterrey, 1996.
[7] Y.A. CENGEL, M.A. BOLES, “Thermodynamics An Engineering Approach”, Fifth Edition, McGraw Hill, 2006
[8] M. J. MORAN, H. N. SHAPIRO, “Fundamentos de Termodinámica Técnica”, Segunda Edición, Ed. Reverte, 2004
[9] E. J. BILO, “Excel for Scientists and Engineers – Numerical Methods”, J. Wiley & Sons, 2007.
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En el anterior capítulo se ha visto de manera general la forma de evaluar económicamente el proyecto de recuperación de calor para las opciones de generación de vapor y de energía eléctrica; en este capítulo se desarrollará de una manera más detallada los pasos necesarios a seguir con la finalidad de determinar la factibilidad del proyecto, en este caso en particular para generar refrigeración por absorción para aire acondicionado y se verá la importancia de realizar este tipo de análisis ya que en muchos casos será el que determine si se realiza o no el proyecto.
Todas las industrias basan sus proyectos en estándares económicos que manejan de acuerdo a sus intereses y beneficios. Los indicadores económicos son una herramienta muy importante que todo ingeniero debe manejar para hacer más eficiente un proceso (desde el punto de vista económico), ya que al final de cuentas todo se ve reflejado en el los ahorros económicos generados.
5.1 Planteamiento y análisis teórico del proyecto que se quiere analizar
Antes de empezar a realizar los cálculos se debe conocer afondo que es lo que se quiere realizar en el proyecto de recuperación de calor, determinar los costos y beneficios que se van a obtener. En este caso en particular lo que se hará es determinar la factibilidad de colocar un sistema de recuperación de calor para generar refrigeración por absorción y que esta sea utilizada para aire acondicionado en las oficinas que se tiene en la empresa o de colocar equipos convencionales de refrigeración para aire acondicionado. Se sabe que la planta que se tiene en Ternium tiene una capacidad instalada de 1,000 TR (toneladas de refrigeración) que se utilizan
Se presenta a detalle el análisis económico para el sistema de recuperación de calor para generar agua refrigeración por absorción. Se describen los parámetros económicos TIR, SPB, VPN que determinan la factibilidad de un proyecto. Se presentan resultados del análisis económico realizado.
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en diversos procesos pero en especial para acondicionar las oficinas que se tiene ubicadas en la planta, de ahí nace el interés especial para determinar si existe un área de oportunidad para aprovechar el calor disponible que se tiene.
Entonces se debe hacer una comparación de estas dos opciones que se quiere analizar (ver figura 5.1), considerando primero costos de inversión (equipos, instalación, mano de obra, ingeniería, etc.) y costos de operación (consumos de energéticos, mantenimiento, operador, etc.). Para esto sirve mucho el análisis termodinámico realizado donde se obtienen datos de los equipos necesarios para el funcionamiento de cada sistema y las capacidades de los diferentes equipos para ser cotizados en el mercado.
De las dos opciones propuestas lo que se quiere demostrar es que la inversión en el sistema de recuperación de calor traerá mejores beneficios a la empresa tanto económicos como ambientales que la inversión en los sistemas de refrigeración convencionales; entonces dicho esto los costos serán la diferencia que exista entre las dos inversiones y el beneficio será la diferencia entre los costos de operación de las dos opciones; se conoce que los sistemas de refrigeración convencionales (sistemas de compresión) utilizan energía eléctrica y refrigerantes RO22 y R134a, en Ternium se tiene este tipo de sistemas de refrigeración por compresión.
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Aunque los dos sistemas de refrigeración trabajan bajo el mismo principio, es importante recordar que cada sistema utiliza diferentes fuentes de energía, así como también los fluidos de trabajo. Para el equipo de refrigeración por absorción la fuente de energía va a ser los gases de combustión que se eliminan al ambiente del horno industrial, mientras que el equipo convencional utiliza la energía eléctrica como energía principal; el de absorción utiliza un absorbente BrLi para generar la diferencia de presión y Agua como fluido refrigerante mientras que el convencional utiliza refrigerantes RO22, RO134ª entre los más utilizados (ver figura 5.2); las presiones de operación son más bajas en el equipo de absorción. El equipo convencional presenta un COP mucho mayor que el equipo de absorción (4 contra 0.6 respectivamente), en cuanto a costos de equipos, para una misma capacidad de refrigeración, el convencional resulta más barato que el de absorción, esto debido a que el de absorción es un equipo más grande con intercambiadores de calor y además requiere de una torre de enfriamiento.
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Se debe tomar en cuenta todos los puntos mencionados para conocer más a fondo el proyecto que se quiere evaluar y así poder estimar con menos margen de error el costo de inversión ya que si no se considera y analiza adecuadamente, a la hora de determinar la rentabilidad del proyecto se puede dar falsos valores y tomar decisiones erróneas.
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