Metodología de integración energética para la

Transcripción

Vector 6 (2011) 20 - 29
ISSN 1909 - 7891
Metodología de integración energética para la industria
láctea por medio de la aplicación de un sistema de
cogeneración de energía evaluado mediante la tecnología
Pinch
Wilman Antonio Orozco Lozanoa, Fabio Andrés Bermejo Altamarb*, Antonio José Bula Silverac
Magister. Profesor, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma del Caribe, Barranquilla, Colombia.
Magister. Profesor, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma del Caribe, Barranquilla, Colombia.
PhD. Profesor Titular, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad del Norte, Barranquilla, Colombia.
a
b
C
Recibido: 14 de junio de 2012. Aprobado: 11 de marzo de 2013
Resumen
La tecnología de ahorro energético Pinch es apropiada para diseñar y optimizar procesos cogenerativos. La presente investigación logra
el desarrollo de una metodología de cogeneración para una empresa de la industria láctea a partir de una caracterización energética,
desde la cual se selecciona una fuente de energía viable para poder acoplarla a un intercambiador de calor, que será evaluado mediante
la tecnología Pinch y así obtener el uso eficiente del calor y su posterior aprovechamiento. De acuerdo a la metodología diseñada, el
sistema convencional maneja una eficiencia energética del orden de 37% y el sistema de cogeneración propuesto del 80,1%; en cuanto al
consumo energético primario (gas natural) este se reduce en un 30% con una reducción del costo del kWh de un 50%.
Palabras clave: Gas natural, refrigeración, punto Pinch, energía eléctrica, energía térmica.
Methodology of energy integration for dairy industry through the application of a cogeneration system
evaluated through Pinch technology
Abstract
The Pinch energy saving technology is an appropriate technology to design and optimize cogeneration processes. This research achieved
the development of a cogeneration methodology for an enterprise from the dairy industry with an energy characterization from which a
viable energy source was selected in order to couple it to a heat exchanger, which was assessed by means of Pinch technology to obtain
an efficient use of the heat and its subsequent good use. In accordance to the methodology designed, the conventional system managed
energy efficiency of about 37% and the proposed cogeneration system showed 80.1% efficiency; regarding the primary energy consumption (natural gas), it cut down on 30% with reduced costs of 50% per kWh
Key words: Natural gas, cooling, Pinch point, electric energy, thermal energy.
1. Introducción
La productividad de la industria se ve afectada
por el mal manejo de sistemas energéticos y su alta
contaminación. Es por eso que el ahorro energético, el
ahorro económico derivado del anterior, la reducción
de emisiones contaminantes y la disminución de la
dependencia energética exterior, han hecho que la
cogeneración de energía haya cobrado importancia en
la totalidad de los países desarrollados.
El presente artículo muestra el desarrollo de
una metodología para el análisis y evaluación
del funcionamiento energético y su respectiva
optimización mediante un sistema de cogeneración
evaluado mediante la tecnología Pinch, en una empresa
* Autor de correspondencia.
E-mail: [email protected] (W. Orozco)
E-mail: [email protected] (F. Bermejo)
de productos lácteos. Los aspectos involucrados en el
estudio hacen referencia a la utilización de la energía,
su calidad y cantidad. Dichos aspectos permitirán
concluir sobre el manejo óptimo de la energía para
mejorar la eficiencia de los procesos.
En este caso, en el estudio se combinan los datos
de producción y consumos de energía, tanto eléctrica
como de gas natural utilizados en los procesos de
transformación de productos alimenticios dirigidos
a la conservación de alimentos, bebidas, productos
industriales y elementos que proveen bienestar a los
seres vivos, sin afectar el medio ambiente. Es un hecho
que todos los datos e información utilizados para la
evaluación son reales y por tanto deben ser respetados.
Su manejo será única y exclusivamente para fines de
análisis de la compañía, solo estarán disponibles al
lector las teorías y técnicas que le permitan encontrar
opciones de mejora en sus procesos. Por lo anterior,
Metodología de integración energética para la industria láctea por medio de la aplicación de un sistema de cogeneración
de energía evaluado mediante la tecnología Pinch
solo se presentará la tabla de consumo general de la
compañía (Espinal, 2005).
En el primera parte, se aborda un análisis de la
situación mundial de los sistemas de cogeneración, al
mismo tiempo se profundiza en aspectos básicos de
los sistemas, definiendo términos y señalando ventajas
en que se pueda incurrir por la aplicación de estos
sistemas. Se exponen distintos factores que pueden
influir decisivamente en la selección de esquemas de
cogeneración (Campos y Cervera, 2004).
La segunda parte, está dedicada a ofrecer una
serie de fundamentos científicos que abarcan desde la
recopilación de información hasta la selección de los
sistemas de cogeneración, a través del desarrollo de un
estudio técnico-económico a fin de tener una serie de
bases definitivas para optar por estos equipos.
A partir de la tercera, cuarta y quinta parte,
se expone y aplica de manera sistematizada la
metodología de integración energética para la industria
láctea, aplicando un sistema de cogeneración de
energía mediante la tecnología Pinch y a su vez se
realiza la evaluación detallada (Linnhoff, 1998; Ian,
2007).
2. Metodología
La metodología desarrollada se describe en el
diagrama de flujo mostrado en la Figura 1. Se realizó
un estudio del sistema convencional actual con el fin
de establecer las cantidades de producción con sus
consumos energéticos. Se desarrolló la caracterización
energética de la industria, realizando la cuantificación y
distribución del consumo de energía eléctrica y térmica;
y la identificación y cuantificación de las ineficiencias
energéticas en los principales consumidores de energía
eléctrica y térmica. Adicionalmente, se identificaron
las diferentes alternativas de cogeneración. Asimismo,
se realizó la elección del sistema de cogeneración
utilizando como criterios la relación de Q/E, el
tipo de combustible de acuerdo con sus costos
y la generación de emisiones contaminantes, los
costos de la tecnología y las curvas de demanda
de calor-electricidad. Seguidamente, se realizó la
implementación del sistema seleccionando aplicando
la tecnología Pinch. En esta etapa se determinó el
consumo de combustible al 100% de la carga del motor
y se diseñó térmicamente el intercambiador de calor.
Por último, se hizo la evaluación técnico-económica
del sistema implementado, en donde se establecieron
los respectivos balances de energía y exergía de todas
las corrientes del sistema, y se determinó el costo del
sistema.
Figura 1. Metodología en la integración energética del sistema de
cogeneración en la industria láctea.
3. Resultados y discusión
3.1. Equipos y generación actual
Actualmente la industria láctea cuenta para
la generación de vapor en su área de servicios de
cuatro equipos generadores de vapor; donde el vapor
producido es necesario en sus procesos de producción.
En la Figura 2 se muestra una de las calderas utilizadas
actualmente en la generación de vapor, este equipo
actualmente se encuentra en la zona de leche líquida.
Figura 2. Caldera actual utilizada para la generación de
vapor. Fuente: Coolechera (2010).
[ 21 ]
Wilman Antonio Orozco Lozano, Fabio Andrés Bermejo Altamar / Vector 6 (2011) 20-29
Las especificaciones de los equipos y demás
características fueron tomadas del manual del
fabricante (Colmáquinas, Colombia).
Tabla 1
Condiciones y parámetros de los dos tipos de calderas en esta Industria
CARACTERÍSTICAS
Capacidad (BHP)
150
Superficie de calentamiento (ft2) lado fuego
750
Btu/h * 1000
5,021
148
Liberación térmica (Btu/ft3 *h)*1000
Libras de vapor / hora a 212ºF
5.175
6,276
Consumo de gas natural (1000Btu/ft3)(ft3/h)
Peso neto de caldera a 150 psi (lb)
17.835
Peso de la caldera a nivel normal de agua (lb)
27.837
Contenido del agua a nivel normal (gal)
1.199
300
1500
10,04
145
10.350
12,552
27.600
44.950
2.048
400
2000
13,39
143
13.800
16,736
34.118
56.378
2.668
600
3000
20,09
139
20.700
25,104
47.154
79.234
3.907
Fuente: Coolechera (2010).
La Tabla 1 muestra características muy importantes
para conocer la cantidad de generación de vapor por
equipo y la relación vapor generado / consumo de gas
natural.
· Presión del vapor (Psig): 100.
· Temperatura de agua de alimentación (°C): 57.
· Temperatura de retorno del condensado (°C): 88.
· Porcentaje de retorno del condensado (%): 45.
Con la Tabla anterior se puede concluir que en
condiciones normales de funcionamiento y con una
eficiencia global de 80% por equipo, que 1 m³ de
gas natural consumido produce 23,28 lb de vapor.
Conociendo la cantidad de gas natural consumido
durante un mes se obtuvo la cantidad de vapor
utilizado en los procesos de producción en la industria.
3.2.
Caracterización energética
Para poder realizar la caracterización se realizó
una distribución en planta de todos los equipos
actuales para poder recopilar toda la información
necesaria. Analizando los principales sistemas y
equipos consumidores de energía y sus componentes,
determinando eficiencias térmicas y operacionales que
impactan en el consumo energético y buscando con
ello el uso eficiente de energía y reducción de costos
operacionales. Wang (1993) y Mann y Liu (1999) y
desarrollaron un modelo de minimización del consumo
energético.
Para el año 2008 se obtuvieron unos valores de
consumos de energía eléctrica y de gas natural, junto
con sus respectivos costos que se registran en la Figura 3.
Figura 3. Caracterización energética de la industria láctea. Fuente: Coolechera (2010).
[ 22 ]
Las Figuras 3 y 4 muestran unos picos máximos
en los consumos eléctrico y de gas natural con un valor
de 792330 kWh/mes en el mes de octubre y de 549041
m3/mes en el mes de julio, respectivamente. Lo anterior
se usó como parámetro al momento de seleccionar el
motor, sea continuo o reciprocante, con el fin de no ser
superados por la demanda energética.
Figura 4. Relación de costos energéticos por mes. Fuente: Coolechera (2010).
Energía Empresarial de la Costa, realizó un
estudio minucioso en las instalaciones de la industria
láctea arrojando la Tabla 2 correspondiente a la
caracterización energética de la misma, en el período
comprendido entre el 12 de diciembre de 2007 hasta
el 14 de marzo de 2008:
Tabla 2
Caracterización energética distribuida de la industria láctea
Fuente: Coolechera (2010).
Se observa cómo el consumo eléctrico muestra una
tendencia a los equipos de proceso y refrigeración
(siendo un 74,9% del consumo total), lo que indicó
las dos zonas donde más se debe centrar la atención
al momento de suministrar el fluido eléctrico por
parte del sistema de cogeneración. A partir de la
caracterización se obtienen datos de consumo eléctrico
de todas las áreas con un pico máximo de 727641 kWh/
mes.
La demanda de vapor en cada uno de los procesos
se divide en dos principales; una a presión de 3 bares
con un flujo másico de 2585 kg/h y otra a 7 bares y 425
kg/h, resultando una cantidad de calor necesaria para
generar el vapor del proceso de 2000,3 kW.
3.3. Implementación del sistema de cogeneración
mediante la tecnología Pinch
Teniendo en cuenta los consumos eléctrico y de
calor de la industria láctea, se ve la necesidad de
implementar un sistema de ahorro energético que
disminuya esta demanda y a su vez disminuya la
contaminación ambiental (Rodríguez, 2006). Este
sistema debe tener una fuente motriz que solo utilice
una fuente de energía primaria que supla toda la
necesidad tanto eléctrica como de calor en toda la
planta (Borroto y Monteagudo, 2006).
La integración energética implementada está
asociada a una metodología particular de la industria
láctea seleccionada, que se rige por los pasos a
desarrollar en el sigu iente orden:
· Criterios de evaluación técnica
· Razón calor/electricidad (Martin, 2005).
· Curvas demanda eléctrica y térmica (CONAE, 1999).
· Calidad del vapor requerido.
· Disponibilidad, consumo y costos del combustible.
· Selección unidad motriz del sistema cogenerador
(Misa et al., 2007).
· Diseño térmico de equipo de intercambio de calor
con cambio de fase.
· Implementación de tecnología del Pinch Point.
[ 23 ]
Desarrollando los pasos se obtiene:
· Criterios de evaluación técnica:
· Razón Q/E:
Q
Q
E
=
2000,33kW
= 1,817 1100,458kW
Donde
es el cociente entre el flujo de energía
E
térmica y el flujo de energía eléctrica.
· Curvas de demanda eléctrica y térmica, las cuales ya
se establecieron en la caracterización energética.
· Calidad del vapor requerido, como especificaciones
de la temperatura y presiones del vapor, así como
determinación del tipo de vapor (de baja o de alta)
en el diagrama temperatura vs. entropía y/o el de
Mollier. La temperatura de entrada del agua al
intercambiador de calor estará alrededor de los
80ºC y deberá tener una presión de 7 bar como
máximo. Con lo que su temperatura de saturación
a esa presión es de 165ºC y tendrá cambio de fase
hasta vapor saturado o vapor de baja.
· Disponibilidad y costo del combustible seleccionado.
Actualmente la industria láctea seleccionada
Tabla 3
Tabla técnica del motor Caterpillar G3608
Fuente: Caterpillar (2012).
[ 24 ]
cuenta con dos calderas de 150 y 400 BHP,
para satisfacer sus requerimientos de vapor,
funcionando con gas natural lo que pone de
manifiesto que el combustible seleccionado está
disponible y con un costo de 280$/m3.
Con el valor de relación de Q/E los más indicados
son los motores alternativos que se caracterizan por
una reducida razón que fluctúa alrededor de 1, y con
valores máximos de 3; lo que los hace adecuados para
instalaciones de pequeño tamaño (Campos y Cervera,
2004).
Con los parámetros anteriores se tienen dos
opciones para plantas eléctricas de motores diesel
duales (a diesel o a gas natural), una es de marca
alemana (Deutz) y la otra es Caterpillar, la cual se
escoge por poseer sedes en Colombia haciendo más
fácil su adquisición y mantenimiento, por lo tanto se
determinó un motor con las siguientes características:
Motor Caterpillar G3608 TA 130 LE con una potencia
eléctrica de 1430 kWh de potencia de línea instantánea,
voltaje de 480 V, presión mínima de aire de entrada 45
Psi, consumo de combustible al 100% de la carga 6660
Btu/Hp-h, tasa de flujo de gases de salida 12849 cfm
(6.065 m3/min), y temperatura de gases residuales de
salida de 448ºC. Los datos anteriores se aprecian en
la Tabla 3.
Este motor eléctrico genera una potencia bruta de
1430 kW que es mayor que la necesaria para el consumo
que es de 1100,58 kW.
Se realizó el análisis exergético y el análisis termo
económico, para generar las gráficas con las siguientes
ecuaciones (Orozco et al., 2010):
También se cumple la condición de que el valor del
calor de los gases residuales (2157,92 kWt) es mayor
al que se necesita para conseguir vapor de baja (2000
kWt), como QTérmico > QVAPOR entonces se cumple y se
pueden utilizar los gases de escape para producir el
vapor necesario.
Costo exergético = Costos de gas + Costos de agua +
Costos gases intercambiador.
Costo capital total = Costo motor + Costo de
intercambiador.
Costo instalación = Costo exergético + Costo capital
total.
Figura 5. Valor del Pinch Point (ºC) vs. costo del área de intercambio de calor (m²)
para diferentes valores de U.
La Figura 5 representa la proyección hacia
el infinito del costo del área de intercambio de calor
(eje “y”) a medida que el valor del punto Pinch se
hace más pequeño (eje “x”). En la cual se observó que
entre más pequeño es el punto Pinch se necesita un
intercambiador de calor más grande por el aumento
de área.
Figura 6. Valor del Pinch Point (ºC) vs. costo de gases residuales que salen
del intercambiador de calor exegéticamente.
[ 25 ]
La Figura 6 representa el modelado de la
tendencia de los costos de gases de desecho del
intercambiador de calor en función del punto Pinch.
De este modo, se necesita encontrar el valor óptimo
exergético entre los ahorros de inversión de capital
(costo de intercambiador) y ahorros de recursos
energéticos (costos de operación). De este modo, se
grafica el costo de la integración de energía (costos
energético total) vs. punto Pinch, costos capital vs.
punto Pinch, y costos total instalación vs. punto Pinch
(Rosen et al., 2004).
Figura 7. Relaciones de costos vs. Pinch Point para diferentes U.
La Figura 7 muestra claramente que el valor de
integración energética es óptimo donde el valor del
Btu
punto Pinch es de 27ºC con U = 34 hr. ft °F porque es donde
se encuentra valor mínimo de los costos; y cuando
diseñamos los intercambiadores el único U donde:
U prueba ≥ U diseño es U = 34 Btu2
2
hr . ft ° F
Por lo tanto el valor que se escoge entre el valor del
Pinch Point energético y exergético es el exergético,
porque es más conservador debido a que tiene en
cuenta las pérdidas en el proceso. Diseñando el
intercambiador se obtuvo un valor del coeficiente
global de transferencia de calor.
[ 26 ]
U = 193.0926
w
Btu
= 34 .0071
2
m K
hr . ft 2 F
Con la selección del motor diesel a gas natural
modelo Cat 3608 y el diseño térmico del equipo
de intercambio de calor completo, la integración
energética satisfará las dos demandas energéticas.
Por lo tanto quedó un sistema unifiliar de vapor y
condensado mostrado en la Figura 8.
Por lo tanto se obtuvo la Tabla 4. En las Figuras
9 y 10 se hace una comparación de la energía y la
exergía.
Figura 8. Esquema unifiliar de vapor y condensado sugerido incorporando el motor y
el intercambiador de calor.
Tabla 4
Comparación entre energía y exergía
PUNTOS
1
2
3
4
5
Pot. eléctrica
Pérdidas del motor
Pérdidas del intercambiador
Energía (kWt)
4504,01
2479,23
654,82
316,88
1727,65
1430
594,78
413,63
Exergía (kWt)
3601,39
1252,02
215,42
13,55
1018,17
1430
919,37
31,98
Figura 9. Diagrama de Sankey (energía).
[ 27 ]
Figura 10. Diagrama de Grassman (exergía).
Figura 11. Eficiencia del sistema actual.
Figura 12. Eficiencia del sistema de cogeneración proyectado.
[ 28 ]
En las Figuras 11 y 12 se observa claramente la
ventaja de utilizar un sistema de cogeneración porque
se logra aumentar la eficiencia del sistema en un
43,82%.
4. Conclusiones
Con la caracterización energética se determinaron
los valores de los consumos energéticos (vapor y
electricidad) de la planta estableciendo que los equipos
de procesos, refrigeración y aire acondicionado son los
mayores puntos de consumo significando 89,1% de
energía eléctrica. Esto indica que son los sectores más
importantes para abastecer energéticamente y que su
demanda, tanto en gas natural como en electricidad,
aumenta drásticamente desde mayo y se mantiene
constante hasta diciembre.
A partir de la caracterización se establecieron los
parámetros para la selección de la unidad motriz, tales
como: la razón calor/electricidad, lo que arrojó que la
tecnología más acertada es la de un motor alternativo
CAT 3608.
Se diseñó térmicamente el equipo de recuperación
de calor utilizando la tecnología Pinch, la cual establece,
según la práctica, un delta de temperatura (Pinch)
menor a 70ºC para este tipo de aplicaciones energéticas.
Utilizando un método de optimización (Figura 6) arrojó
que el punto de menor pérdidas económicas es de 27ºC.
Gracias a la metodología diseñada, el sistema de
cogeneración establecido tendrá un gran impacto
energético y económico debido a que el sistema
convencional maneja una eficiencia energética del
orden de 37% y el sistema de cogeneración propuesto
del 80,1%; en cuanto al consumo energético primario
(gas natural) este se reduce en un 30% con una
reducción del costo del kWh en un 50%.
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[Visitada en marzo 2009].
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[ 29 ]

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