Dispositivos y sistemas para el ahorro de energía 9788426707222

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20 Dispositivos y sistemas para el ahorro de energía Pere Esquerra Piza

Conservación de la energía. Gestión de la energía: la auditoría energética; valoración de costes; rentabilidad; planificación de la gestión. Energía: diferentes tipos de energía; producción y transmisión. Combustibles. Calderas y generadores de vapor. Distribución de la energía térmica. Frío industrial: sistemas de generación y distribución; posibilidades de ahorro. Calefacción y refrigeración ambiental: medidas de ahorro aplicables. Equipos de recuperación de calores residuales. Cogeneración de calor y electricidad: aplicaciones industriales y en viviendas; el marco legal de la cogeneración. Los ordenadores y el ahorro de energía: sistemas y niveles de control; programas; espectro general de sistemas automáticos posibles.

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Dispositivos y sistemas para el ahorro de energía Pere Esquerra Piza

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Colección «Prodúctica» Dirección técnica : José Mompín Pob let

© MARCOMBO, S.A. , 1988 Reservados todos los derechos de publicación en cualquier idioma por MARCOMBO, S.A. Gran Via de les Corts Catalanes, 594 08007 Barcelona (España)

No se permite la reproducción total o parcial de este libro ni el almacenamiento en un sistema de informática ni transmisiión en cualquier forma o por cualquier medio, electrónico, mecánico, fotocopia, registro u otros métodos sin e l permiso previo y por escrito de los propietarios del Copyright.

ISBN: 978-84-267-0722-2 Depósito Legal: B. 38 .1 48-88 Impreso en España Printed in Spain Fotocomposición: FOINSA - Gran Via de les Corts Catalanes, 569 08011 Barcelona Impresión: A.G. Portavella, S. A - Diputación, 427 - 08013 Barcelona

Presentación

El contenido de este libro va dirigido a todas aquellas personas o entidades relacionadas directa o indirectamente con el consumo de energía. No se ha pretendido desarrollar un manual de diseño dirigido a conseguir dispositivos y sistemas que propicien el ahorro de energía, sino que el contenido práctico del libro presenta descripciones de sistemas y aporta soluciones a los principales problemas que se presentan en los diferentes tipos de empresas más representativas donde resulta efectivo el ahorro energético. Se ha adoptado un lenguaje sencillo y directo que permita su fácil comprensión, tanto por la dirección de las empresas como por los responsables de mantenimiento o los técnicos de producción. En el libro se presta una especial atención a la utilización del gas natural como el combustible por excelencia de las últimas décadas del siglo XX. Se exponen las ventajas y los principios de estas aplicaciones tecnológicas por el gran ahorro que suponen y la baja contaminación que producen. Como solución directa se dedica una especial atención a la regeneración de calor y electricidad. El desarrollo de las nuevas tecnologías, especialmente de la informática y la microelectrónica, también ha favorecido el ahorro energético al programar y racionalizar más el consumo regulando la actuación de las máquinas y de los sistemas industriales. El autor

5

,

Indice general

PRESENTACIÓN .................................................. ........ ....... ........ ...... . CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA. ................................................. . La situación energética actual .................................................... . Conservación y ahorro ................................................................ . El ahorro en términos económicos ......................................... . Principios de la conservación de la energía ............... ... .......... . Potencia y energía ................................................................... . Rendimiento ............................................................................... . La medición, indispensable para el ahorro energético ............ . LA GESTIÓN DE LA ENERGÍA ......................................................... . ¿Qué es la gestión de la energía en la industria? .............. ......... . El gestor energético ....................................................... .......... . Auditoría energética ............................. ..................... ........ ......... .. Valoración de costes energéticos .. ................ .. ...... ...... ......... ...... . Rentabilidad de una medida de ahorro .................................... . Planificación de la gestión

5 9

9 12 14 15 17 18

19 21 21 22 24 26

27

28

LA ENERGÍA. .......................................................................... ........... . Usos normales de la energía .................................................. . La energía térmica, mecanismos de transmisión ....................... . Las pérdidas de calor .............................................................. . La energía eléctr ica, producción y transmisión ........................... .

29 29 30 33

COMBUSTIBLES .................... ..................... ...................... ................ . La combustión ......................................................................... . Los combustibles .......................................................... ........... . Rendimiento de la combustión .......... .... ............... ................... .. Estrategias y sistemas para el ahorro de combustible ................ .

37 37 39

36

44 48

CALDERAS Y GENERADORES DE VAPOR ....... .. ... ........... ... ....... . El conjunto caldera-quemador .................................................... . Ventajas y desventajas de los distintos tipos de calderas .... Medidas y dispositivos de ahorro ................................................ .

49 49

DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA TÉRMICA Consideraciones generales ......................................................... Distribución de vapor ............................ ............... ..... ....... ........... . Distribución de agua .................................................................

59 59 60

FRÍO INDUSTRIAL ......... ...... .... ....... .... ........ ....... ........ .... ... .......... ... . Descripción de un sistema de generación y distribución ... .

63 63

53 54

61

7

Índice general

Posibilidades de ahorro ........ .. ....... ........... ........... ..................... Aislamiento ......................................................... ..................... Sistemas de producción ................................... ..................... Regulación y control ........................................... ..................... Otros ............................................................... .... ........ ..........

72 75 77 80 80

CALEFACCIÓN Y REFRIGERACIÓN AMBIENTAL ...... ............... .. . El edificio como consumidor de energía ...... .. .. ... ..... .. .. .. .... ... .... Sistemas de climatización ...................................... ..................... Valoración energética de los sistemas ............... ...................... Medidas de ahorro aplicables .............................. ..................... Cuestionario......................................... ....................................... Estructura ..... .. ... .. .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. ........... .... .. ...... ..... .......... .. Sistemas de acondicionamiento ............ ............ .... ... ........ ....... Regulación y control ........................................... ..................... Otros ................................ ....... ....................... .... ...................

83 83 90 99 1O1 102 105 106 113 113

EQUIPOS DE RECUPERACIÓN DE CALORES RESIDUALES ..... Calores residuales ......... ..... ................. ........................... .......... Sistemas de recuperación ................................. ..... .................. ... lntercambiador de envolvente y tubos............... ...................... lntercambiadores de placas .......... .. .. .. ..................... .. .... ....... lntercambiadores gas-gas acoplados por líquido .. .. .. .. .. ....... Recuperadores ..................................................................... lntercambiadores rotativos ..................................................... Tubodecalor ................................... ........ ....... .... ................ ... La bomba de calor ........................................... .................... .

115 115 116 116 118 119 121 122 123 125

ELECTRICIDAD ... ............... ........ ....... ........ ........ ....... .... ................ ... Tarifas.................... ................... ................. ........................... ....... El factor de potencia ............. ............................... ........... .......... Alumbrado ........................................................... ..... ..................

127 127 130 131

CÓCENERACIÓN DE CALOR Y ELECTRICIDAD ........ ................. . ¿Qué es la cogeneración? ......................................... .................. Ventajas de la cogeneración ......... .... ............... .. ...... .... ............ Aplicaciones industriales y en los edificios no industriales ... El marco legal de la cogeneración ....................... .....................

137 137 140 143 143

LOS ORDENADORES Y EL AHORRO DE ENERGÍA .................... . Introducción................................................................................. La información energética como base de cualquier programa de ahorro .................................................................................... Sistemas de control de instalaciones ................... ..................... Niveles de control y programas para el ahorro de energía ... Espectro general de sistemas automáticos posibles ................ .

149 149

8

149 150 154 158

Conservación de la energía

LA SITUACIÓN ENERGÉTICA ACTUAL

Si este libro se hubiese escrito hace unos diez años, probablemente se habría hecho con un acento más dramático que el que pueda emplearse hoy. Y ello no por consideraciones de mimetismo con la bibliografía existente en aquel entonces, sino porque la situación energética en 1978 estaba muy condicionada por el uso del petróleo. En los últimos años, la política petrolífera europea en particular, y la mundial en general, ha evolucionado hacia una menor dependencia de este recurso energético. La explotación de yacimientos conocidos de gas natural, el descubrimiento de nuevas e inmensas reservas de este combustible en Europa, y las modificaciones en la política de venta de los países productores de petróleo, han contribuido a la expansión de las redes de gasoductos a lo largo de Europa. De hecho en España, con la excepción de Cataluña, estamos asistiendo al nacimiento de la industria del gas. Se está descubriendo el gas, que ha pasado de ser un combustible doméstico a convertirse en el combustible industrial del futuro. Naturalmente esta realidad no quiere decir que los derivados del petróleo (fuelóleo y gasóleo) vayan a ser sustituidos por el gas y abandonados en el transcurso de unos pocos años. Lo que realmente está empezando a ocurrir es que se entra en una etapa de diversificación energética, con todo lo positivo que ello conlleva. Una diversificación energética significa que los usuarios y consumidores vamos a conocer las posibilidades de los combustibles, y un conocimiento de las mismas significa una valoración positiva de su importancia. Además, durante estos últimos diez años ya se ha creado en los consumidores una conciencia activa del significado de la energía. Al principio se trató de un encarecimiento de los precios; a continuación se informó adecuadamente de la escasez de reservas petrolíferas, lo cual contribuyó a concienciar a los consumidores sobre la necesidad de usar juiciosamente los combustibles derivados del petróleo, y finalmente se hicieron campañas para promover el ahorro y se sensibilizó al mundo industrial en este Por todo ello creemos que hoy en día los técnicos, en cualquiera de los niveles en que se encuentran, son conscientes del valor de la energía y son responsables frente a la manera de consumirla. Y esta conciencia se tiene en unos momentos en que la gasificación, implantada en Europa e implantándose en España, permite afrontar el futuro energético con cierto optimismo, apoyado ciertamente por una política de precios petrolíferos a la baja. 9

Dispositivos y sistemas para el ahorro de energía

Tabla 1. Estimación de reservas de petróleo mundiales. Valores dados por distintos autores.

Autor

1942 1946 1946 1948 1949 1949 1953 1956 1958 1959 1965 1967 1968 1968 1969 1970 1971 1971 1971 1972 1972 1972 1975 1975 1975 1976 1978 1978 1979 1979 1979 1979 1980 1980 1980 1983

Rccur.ms en 10q t

Pral, Weeks Stabinger Duce Pague Weeks Lcverson Weeks Mac Naughton Hubbert

82 55 76 183 205 138 136 171

Weeks

205

Weeks Hendricks (USGS) Rhman (ESSO) S ell Weeks Hubbert Moody (Mobíl) Warman (BP) Weeks U.5. National Petroleum Council Linden Weeks Moody, Emerick (Mobil) Adams, Kirby (BP) Moody (IX Congreso Mundial del Petróleo) BGR Klemme Friedman (VVorld Bank) World Energy Conference Halbouty (X Congreso Mundial del Petróleo) Meyerhoff

273 338 285

Roorda Wood (Cities Service) World Energy Conference Hunt Nehring Masters (XI Congreso Mundial del Petróleo)

246 300 184-286

246 164-273 312 364

402 498 264-259 273 273 336

259 685 350

304 300 330 205-410 354 1.027 225-320 246

¿Quiere ello decir que hay que volver a los tiempos antiguos de derroche energético? Por supuesto que no. Entendemos que esta situación no se producirá por cuanto la indicada conciencia energética ha calado hondo y ha llegado a su mayoría de edad. Es decir, se tiene una preocupación por la conservación de la energía. Se sabe que la energía es un bien perecedero que hay que conservar; al menos cuando los recursos existentes son fósiles y, por tanto, difícilmente renovables, y no se han desarrolla10

Conservación de la energía

do suficientemente las tecnologías de aprovechamiento de las energías ren ovables (eólica, solar, mareomotriz ... ). Por otra parte, en los últimos años se han sufrido fuertes alteraciones de los precios energéticos que, antes de la toma de conciencia energética,

Autor 1956 Dpt. Interior EUA 1958 Weeks (hxon) 1959 Weeks 1965 Weeks 1965 Hendrick (U.S. Geol. Survey) 1967 Ryman (l:xxon) 1967 Shell 1968 Weeks 1969 Hubberl (U.S. Gcol. Survcy) 1971 W eeks 1973 Koppack (Shell) 1973 Hubbert 1973 Linden (lns. o f Gas Tcchnology) 1975 National Academy of Science1 Washington 1975 Adams Kirby (IX Congres Mundial del Petrol) 1975 Moody, Geiger 1975 Bundesanstalt fur Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover 1977 M e Cormi ck (Americ.an Ga5 Assoc.) 1977 lnternational Gas Uníon 1977 LNG 5 Dusseldorf 1977 Kloosterman 1978 Mood~ (ex Mobíl) 1979 Meyer off (X Confires Mundial del Petro) 1980 Bundesanstalt fur Ge w issen schaften und Rohstoffe, Hannovcr 1980 W o rld [nefb>y Conf eren ce 1983 Halbouty (XI Congres Mundial del Petrol)

Recursos

Recurs"s

1

1011. pies

1012 mJ

5.000 5.000-6.000

140-'170

6.000

170

7.200

200

en

15.300 12.000 10.200

6.900

Tabla 2. Estimación de reservas mundiales de gas natural.

en

140

430 340 290 195

8.000-12.000 7.200

230-340

7.500 1 2.000

210

340

10.400

295

7.100

200

5.000-6.000

l 40-170

7.800

220

9.000

250

11.433

320

5.300 7.800

150

9.000

250

8.500

240

7.670

220

10.350

10.609

293 300

9.585

271

200

220

1.000 pies cúbicos= 28,3 m3

11

Dispositivos y sistemas para el ahorro de energía

tenían una fuerte incidencia sobre los costes industriales de producción y sobre los costes de explotación en el caso de los usos energéticos en edificios (hospitales, escuelas, edificios administrativos, hoteles, etc.). Esta experiencia ha servido para aprender a valorar económicamente la energía y las medidas a implantar para aminorar su coste. Figura 1. Consumo de energía por sectores en Catalufla. La evolución del consumo ha sido paralela a la del resto de Espafla, solamente ha tendido a disminuir a partir de 1.979 como resultado de la aplicación de planes racionales de ahorro y conservación.

Miles de TEP

9000

8000 7000

Resto

6000 5000

Tronspc,rtes

1.000 3000 Industria

2000

Ya se ve, pues, que el ahorro energético tiene ante todo una connotación económica básica, y por ello tiene y tendrá siempre una gran importancia dentro de los procesos productivos. CONSERVACIÓN Y AHORRO

Quizá deba decirse que la conciencia de conservar energía deben tenerla mayormente los fabricantes de equipos y los dedicados a la ejecución de instalaciones. En efecto, se trata de componentes y sistemas que para funcionar consumen energía que, en muchos casos, manipulan y transforman. Por ello, parece natural que quien idea y proyecta tales elementos deba ser sensible a la conservación. El ahorro es, en cierta manera, un concepto económico y como tal va asociado al concepto tiempo. Un equipo consume tanta más energía cuanto más tiempo funciona. Energéticamente cuesta más dinero cuanto más tiempo funciona. En este sentido, pues, el ahorro debe ser una preocupación del usuario del equipo, del consumidor energético, el cual debe tener también la adecuada sensibilidad frente a la conservación de la energía.

12

Conservación de la energía

Figura 2. Consumo final de combustibles líquidos en Cataluña. La crisis del petróleo ha hecho que el consumo de combustibles líquidos haya experimentado una tendencia a la baja equivalente a la del consumo global de energía.

Miles de TEP

6000

Resto

5000 4000 Transportes 3000

2000 Industria 1000 ...____....,...-....--,.------------N Al'los u, Cil) CD r-o r-¡-.. Cil) cio r-r-~ 0) O) a, O) ~ 2? .... 2? O)

...

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-

-

Ya se ve que la frontera entre la conservación y el ahorro de energía no está bien definida. Así pues, aquí vamos a establecer una diferenciación en línea con lo expuesto, es decir, el ahorro de energía va a ser un concepto ligado a consideraciones económicas, en tanto que la conservación de la energía se dejará como concepto o idea más genérica que va a la consideFigura 3. El consumo final de los combustibles gaseosos industriales en Cataluña, principalmente el de gas natural, ha seguido una ligera tendencia al alza a partir de 1.973.

Miles de TEP

1600 1400 Res1o

1200 1000

800

GN

600 400 GLP

200

CD

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Af\os

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13

Dispositivos y sistemas para el ahorro de energía

ración de la finitud de los recursos energéticos de que disponemos. Por ello, sin abandonar este último aspecto, se dará mayor importancia al ahorro y se harán algunas consideraciones importantes sobre los sistemas de ahorro y las posibilidades que ofrecen (con sus limitaciones) al ahorro de la energía, tanto en el sector industrial como en el llamado sector terciario (edificación). EL AHORRO EN TÉRMINOS ECONÓMICOS

La evaluación del ahorro energético en términos económicos debe hacerse siempre pasando primero por una estimación del ahorro en términos de unidades energéticas. Figura 4. En general no ha habido una disminución del consumo de energía eléctrica, salvo en el sector industrial, como resultado de la aplicación rigurosa de medidas de ahorro.

Miles de TEP

1600

1200 1000 800

600

Industria

200

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Arios

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Las unidades energéticas más empleadas en los estudios de ahorro de energía son el kilovatio-hora (kW-h), la kilocaloría (kcal), la tonelada equivalente de petróleo (Tep) o la termia de gas (Termia). También en el caso del gas se suele emplear el metro cúbico normal (Nm3). Más adelante se definen y comentan estas unidades, de modo que aquí sólo se indican para clarificar la presente exposición. Haciendo uso de cualquiera de estas unidades (la que sea más adecuada) debe plantearse la situación energética actualmente considerada, es decir, la que se tiene en cuanto a consumo energético antes de aplicar una medida de ahorro energético. Con ello se valora el consumo actual. Naturalmente, la diferencia de consumos antes y después de la medida dará una idea del ahorro a obtener en términos energéticos (en las unida-

14

Conservación de la energía

des elegidas). Para conocer el verdadero ahorro en términos económicos debe aplicarse a cada caso el coste económico de la unidad elegida a la tarifa vigente en cada caso. Esto es importante tenerlo presente cuando la medida de ahorro entraña un cambio de fuente energética (por ejemplo, al diversificar el uso de la energía pasando del empleo de electricidad al empleo de un combustible fósil), ya que los precios de la unidad de energía antes y después de la medida serán distintos según las tarifas a aplicar. Figura 5. En la industria, a partir de 1.979, se han

aplicado programas de ahorro

Miles deTEP

y diversificación energética que han contribuido a disminuir los consumos de combustibles líquidos y gaseosos ya incrementar de forma importante el consumo de carbón.

4000 3500

Electricicbd

3000 2500

e.Gaseosos

2000 1500

e.Líquidos

1000

500 Carbón o

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en

PRINCIPIOS DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

A cualquier forma de energía pueden aplicarse un conjunto de principios generales para su tratamiento y manipulación, si se pretende obtener unos ahorros de importancia. Estos principios de tipo general pueden enunciarse así: a) Debe analizarse y contrastarse la forma y extensión de cualquier uso de la energía, incluyendo la bondad del tipo de proceso y el tamaño de la aplicación que se considera. Deben considerarse los beneficios y perjuicios que incidentalmente puedan originarse. b) Siempre que sea posible deberá realizarse el trabajo útil al nivel energético (en general evaluado a través de una temperatura o una presión definidas) adecuado a cada aplicación. La mayor parte de la energía se pierde en el ambiente en forma de calor y debe tenerse el máximo cuidado de que en este trayecto realice el mayor trabajo posible.

15

Dispositivos y sistemas para el ahorro de energía

Es decir, la energía ni se crea ni se destruye, simplemente se transforma, y a lo largo de la transformación se degrada hasta convertirse en calor que de alguna forma va finalmente al ambiente que nos rodea. Así, cualquier proceso industrial que precisa para su realización una aportación de energía eléctrica (una hilatura textil, por ejemplo), convierte últimamente la energía eléctrica en calor (calor en los motores eléctricos, caloren los mecanismos de las continuas, calor en el hilo producido), que al final pasa al aire ambiente o en otros casos a una corriente de aire. En muchos casos, además es preciso gastar energía suplementaria para absorber este calor del ambiente con el fin de poder realizar el proceso industrial (siguiendo el ejemplo de la planta de hilatura, hay que contar con un proceso de climatización ambiental para absorber el calor generado y poder obtener hilo en buenas condiciones de calidad y sin paros de producción). Tabla 3. En esta tabla se utiliza el kj (kilojulio) como unidad de energía por ser la del sistema SI (Sistema Internacional), oficial en nuestro país y en la CEE. La equivalencia entre esta unidad y la kcal (kilocaloría) es la siguiente: 1 kj =0,2388 kcal.

Contcnído energético de materiales diver.;os

Energ,a usada

Material

k}lkg

Aislamiento: conducto (25 mm) tubería (50 mm) panel Acero Aluminio Bloques de hormigón (20X20X40 cm) Cobre Hormigón lmpermeabilización Muro de ladrillo Pintura Placas de falso techo Plástico Vidrio

kJtunidad 590lm2 90/m2

24lm 2 6.600

19.600 7300/bloque 19.200 200 3.300/ rn 2

1.000 2.000 720

3.800 6.000 1 kJ

= 0,2388 kcal

c) No puede ahorrarse energía si no se conoce cuánta energía se manipula, es decir, si no se mide antes la energía. Lógicamente, deben utilizarse unidades y definiciones energéticas consistentes. Si no es así, cualquier comparación no tendría ningún sentido. d) El calor residual que se recupera debe ser utilizable y debe buscarse una aplicación final antes de considerar seriamente su posible recuperación. Desde luego, en una situación normal del mercado energético el valor del ahorro debe ser superior al coste de la recuperación. A menudo conviene pensar en la aplicación del calor residual a otros procesos distintos del que lo origina, incluso si tales procesos no pertene-

16

Conservación de la energía

cen al propio usuario o generador de tal calor. Se establece así la posible venta de excedentes térmicos a usuarios externos al proceso. Dentro de esta línea de pensamiento puede incluirse el principio de aprovechar los excedentes energéticos de la forma más sencilla posible, aunque los ahorros absolutos no sean los más brillantes. A menudo la solución más sencilla es la más rentable económicamente. e) Deben examinarse con atención los ahorros económicos aparentes con el fin de estar seguros de que no originarán un incremento del coste de otros procesos o actuaciones paralelas. Los ahorros deben ser reales.

f) Como principio muy general debe establecerse el de reducir al máximo los desechos de cualquier tipo. Esto es más importante cuanto más costosos enérgicamente sean los desechos. Así , el vidrio, el plástico, el papel, los metales y los materiales aislantes son ejemplos de productos con alto contenido energético. Es preciso evitar el consumo de tales productos a través de un esfuerzo imaginativo en el proceso de diseño y proyecto de equipos, edificios, etc. , ya que de esta forma se contribuye a la conservación de la energía. Por otra parte, también se contribuye a la mejora de la calidad general de vida. En la tabla adjunta (tabla 3) se dan valores sobre el contenido energético de ciertos materiales. Figura 6. Previsión de consumo energético mundial.

,.,. Consumo -eneigé "'CJ

e

41

E

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5

40

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60

ªº

100

Exceso de olre

La determinación del calor total que puede desprenderse en la combustión depende del valor del poder calorífico, o sea, del valor desprendido por unidad de masa o volumen del combustible quemado. Recordando que en toda combustión se produce vapor de agua, conviene establecer la diferencia entre:

45

Dispositivos y sistemas para el ahorro de energía

- Poder calorífico inferior (PCI): Es el calor desprendido cuando el agua obtenida se encuentra en estado de vapor. - Poder calorífico superior (PCS): Es el calor desprendido cuando el agua obtenida se encuentra en estado líquido.

En consecuencia será el PCS de valor superior al de PCI. Figura 20. Pérdidas por chimenea. Combustión de gas-oil. Un 4 % de concentración de oxígeno en los humos a

80

16

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200 "C signifíca unas

1

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pérdidas del 14 % . El contenido de C02 será del 12,5%.

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,:; E.xceso de aire

Los factores que afectan al rendimiento son los siguientes: a) El tipo de combustible

Así, la tabla siguiente muestra las propiedades de tres combustibles típicos (carbón, fuelóleo y gas natural)

46

Combustibles

Análisis (% en peso}

e H

PCS (kcaflkg) (kcal!Nm 3) PCJ (kaJl!kg) (kcal!Nm3l

502 (ppm peso) Punto de rocío (°C)

Carbón

Fue/óleo 1

Gas nafurJ/ (CN)

77,4

74,4

7330

3A

85,5 10,8 10200

7100

9700

1644 35

365(>

23A 12810 10300 11557 9290

-

47

56

Se observa que el contenido en H en el gas natural es el doble que en el fuelóleo y 7 veces mayor que en el carbón. Esta diferencia en contenido de H se refleja en un mayor contenido de agua vapor en los productos de combustión, una mayor disparidad entre PCI y PCS y un mayor punto de rocío. Además, existe por lo tanto un menor rendimiento térmico sobre el PCS en el CN que en el fuelóleo para la misma temperatura de salida de humos, dado el contenido en calor latente adicional que existe en los humos de combustión del gas natural. Es decir, para idénticas condiciones de exceso de aire y temperatura de humos, el contenido extra de calor (sobre el PCS) en los productos de combustión del gas natural es del orden de un 4 a un 4, 7% superior que en los del fuelóleo. En cuanto al carbón ocurre lo mismo, algo más acusado, aunque en la combustión del carbón existen pérdidas importantes en restos, en cenizas y en calor sensible de las mismas. Estas pérdidas hacen que los rendimientos sean inferiores. En la práctica esta potencial diferencia entre GN y fuelóleo o carbón queda paliada en parte por hechos como: - El ensuciamiento de las superficies de transmisión de calor es mayor trabajando con fuelóleo. Esto puede disminuir la velocidad de transmisión de calor, además de provocar paros y gastos de mantenimiento. - Los excesos de aire suelen ser mayores trabajando con fuelóleo que con gas natural. - La presencia de azufre(S) eleva el punto de rocío ácido a unos 150 ºC, lo cual obliga a no poder enfriar los humos por debajo de unos 180 ºC. Esta misma presencia de S veta su utilización en muchos procesos de calentamiento directo (hornos cerámicos, secaderos, arcas de recocido de vidrio ... ). b) El exceso de aire

La influencia del exceso de aire en el rendimiento se pone de manifiesto en los diagramas anexos que se refieren a diferentes combustibles. La comparación entre el gas natural y los combustibles líquidos hace aparecer las siguientes consideraciones: - Se puede trabajar con menores excesos en el caso del GN por ser más fácil la mezcla con aire.

47

Dispositivos y sistemas para el ahorro de energía

- El enriquecimiento con 0 2 disminuye el caudal de humos aumentando el rendimiento para idénticas temperaturas de salida. - Lo más corriente trabajando con fuelóleo son excesos del 15 al 25 %, mientras que con CN son del orden del 1 % o inferiores. ESTRATEGIAS Y SISTEMAS PARA EL AHORRO DE COMBUSTIBLE

Se pueden hacer las siguientes propuestas tendentes al ahorro de energía: a) Mejorar las condiciones en que se realiza la combustión con objeto de disminuir las pérdidas por productos no quemados (aparentes por aparición de humo, hollín y monóxido de carbono). Sin embargo, tal mejora de la combustión no debe hacerse usando demasiado aire. b) Evítese el uso de combustibles con agua en exceso. c) Reparar y sellar las grietas, agujeros, etc. en los caminos de gas de los hogares para evitar las entradas de aire. d) Ajustar los parámetros de la combustión reduciendo el exceso de aire y mejorando el rendimiento, empleando la mínima relación aire/combustible compatible con la ausencia de problemas con los equipos. e) Evitar las variaciones de caudal y presión del combustible al quemador. f) Limpiar regularmente los tubos de humos y demás superficies de intercambio en contacto con los gases de combustión. g) Utilizar equipos de recuperación del calor de los humos para el precalentamiento del aire de combustión o el agua de alimentación en el caso de las calderas o generadores de vapor.

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Calderas y generadores de vapor

EL CONJUNTO CALDERA-QUEMADOR

Las calderas son uno de los elementos más ampliamente utilizados para la transmisión de calor en la industria y en aplicaciones comerciales o incluso domésticas. Las calderas van equipadas con un quemador, el cual, mediante la combustión del combustible elegido, proporciona el calor necesario a un fluido que se calienta. Normalmente el fluido suele ser agua, que pasa a la fase de vapor en el caso de los generadores o calderas de vapor. No obstante, y en especial para aplicaciones a temperaturas elevadas (superiores a los 300 ºC, por ejemplo) se suelen emplear aceites térmicos, los cuales poseen mayor facilidad para la transmisión de calor que el vapor. Una clasificación de las calderas, atendiendo al fluido calefactor, es la siguiente: Calderas de agua caliente

El fluido es el agua y permanece en estado líquido durante su calentaFigura 21. Variación del rendimien to de una caldera de tubos de humos quemando fue/óleo. Al disminuir la carea por debajo del 50 % el rendimiento cae espectacularmente, este comportamiento es típico de todas las calderas.

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Dispositivos y sistemas para el ahorro de energía

miento, no sobrepasando los 11 O ºC. Son las normales de calefacción por agua caliente. Calderas de agua sobrecalentada

El fluido es agua, no hay cambio de fase y se mantiene líquido durante todo el proceso. Se alcanzan temperaturas de hasta 200 ºC. Calderas de vapor

Se alimentan con agua, pero el calentamiento produce un cambio de fase, saliendo de la caldera en forma de vapor en determinadas condiciones de presión y temperatura. Figura 22. Caldera de tubos de agua.

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Calderas de fluido térmico

El aceite térmico es un fluido que tiene una temperatura de vaporización muy elevada. No se utiliza en confort. Calderas o generadores de aire caliente

El aire se calienta por intercambio con los gases de combustión. Su uso se limita casi exclusivamente al calentamiento de pequeñas naves industriales o a aplicaciones domésticas. En toda caldera se encuentran los siguientes componentes: a) La cámara de combustión u hogar: es el espacio en el que tiene lugar la combustión del combustible. Su forma y tamaño depende del tipo de combustible (sólido, líquido o gas) y de la potencia térmica de la caldera. Las calderas de agua caliente modernas con combustible líquido tienen el 50

Calderas y generadores de vapor

Figura 23. Sección de una caldera típica de tubos de humos.

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hogar de forma cilíndrica y a él debe adaptarse la llama del quemador. b) El cuerpo intercambiador: es el que forma propiamente la caldera. Y está lleno de agua. En las calderas usuales, pirotubulares, está además atravesado por haces de tubos que forman el circuito de humos y por el que pasan los productos de combustión para calentar el agua. c) Finalmente se dispone de la envolvente, que aisla térmicamente la caldera para evitar pérdidas de calor. Normalmente, las calderas que se construyen hoy en día son de acero. En estas calderas el intercambiador puede estar constituido por cuerpos Figura 24. Caldera pirotubular de hogar de fondo ciego y retorno (primer paso de humos) en el mismo hogar. "O"C

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Dispositivos y sistemas para el ahorro de energía

de forma irregular llenos de agua, es decir, por tubos de humos, tubos de agua o bien por tubos de agua y de humos. La forma y disposición de los tubos varía de un modelo a otro. Actualmente se está asistiendo a una nueva evolución de las calderas, posiblemente comparable con el salto técnico que significó la presionización del hogar. Se trata de calderas que tienen el último tercio de su cuerpo protegido contra la corrosión. De esta manera pueden alargar el circuito de intercambio de calor sin miedo a disminuir la temperatura de salida de humos originando condensaciones que sean causa de posibles corrosiones. Así se obtienen rendimientos ligeramente cercanos al 90 %. Figura 25. Caldera de fondo de hogar protegido por refractario y dos haces tubulares.

Atendiendo al flujo del fluido a calentar, las calderas se suelen clasificar en dos grandes grupos: a) De tubos de agua, normalmente destinadas a la generación de vapor o para la preparación de agua sobrecalentada. b) De tubos de humos, en las que los humos, circulando por el interior de un haz tubular, calientan el agua o el fluido térmico en el que aquel haz está inmerso. Por otra parte, tanto un tipo como otro de calderas puede clasificarse atendiendo a la presión necesaria en el interior del hogar. Las condiciones de presión en el hogar durante la combustión constituyen una de las características más definitorias de una caldera por cuanto ello condiciona tanto el cálculo de la chimenea como la elección del quemador. En la caldera presionizada, los gases de la combustión son impulsados a través de los distintos pasos de humos de la caldera por el ventilador del quemador, que introduce aire a presión en la cámara de combustión. El ventilador suministra la presión necesaria para vencer exclusivamente

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Calderas y generadores de vapor

las pérdidas de presión en la caldera hasta la unión con el conducto de la chimenea. A partir de aquí el tiro de ésta los debe evacuar. En las calderas con hogar en depresión es la chimenea la que crea la depresión necesaria para vender las pérdidas en el hogar. Desde el punto de vista energético, el conjunto caldera-quemador tiene dos características importantes a considerar: -

El rendimiento térmico del conjunto.

- El factor de carga, que influye en el rendimiento térmico de explotación. El rendimiento térmico del conjunto caldera-quemador viene afectado, en primer lugar y de modo importante, por el propio rendimiento térmico de la caldera. En segundo término hay que considerar la eficacia del quemador para proporcionar el combustible en las mejores condiciones para la combustión (combustible líquido bien pulverizado; mezcla homogénea del gas y del aire; etc.), así como el consumo propio de energía eléctrica o térmica qu1e tal trabajo precisa para la finalidad descrita. El rendimiento térmico depende, pues, del adecuado diseño de la caldera y de la correcta adaptación del quemador a la caldera. Ahora bien, las condiciones térmicas del funcionamiento de una caldera (con su quemador) son tales, que el rendimiento es máximo cuando la potencia térmica suministrada es la de diseño o valor nominal. Al disminuir la carga exigida, y por consiguiente la potencia suministrada, el rendimiento disminuye de modo no lineal. Es decir, hasta un 50% de carga se puede esperar una disminución ligera del rendimiento, pero por debajo de tal porcentaje el rendimiento cae bruscamente, alcanzando rápidamente valores muy bajos. Se comprende, pues, la importancia de mantener un funcionamiento estable de las calderas o de mantener su potencia ajustada a la demanda sin exceso de sobredimensionado. Las pérdidas de calor en una caldera tienen lugar básicamente a través de los humos calientes producto de la combustión que escapan por la chimenea. Una parte minoritaria de las pérdidas se debe a la transmisión de calor por radiación y convección al aire ambiente del entorno de la caldera. Estas pérdidas, valorables en el 2 % del calor suministrado en forma de combustible para la potencia de diseño, se mantienen constantes y explican en parte la citada caída del rendimiento. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS DISTINTOS TIPOS DE CALDERAS

Las calderas con hogar presionizado presentan varias ventajas que conviene destacar: 1) El aire se introduce en la cantidad necesaria para asegurar la combustión, de forma que no se malgasta por exceso de aire incontrolado y el rendimiento térmico es superior.

Al realizarse la combustión con un exceso de aire inferior, la temperatura de la llama es más alta y la cantidad de calor transmitida por la llama y los productos de la combustión a la superficie de calentamiento de la caldera, y de ella al fluido , aumenta de forma directamente proporcional con la temperatura.

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Dispositivos y sistemas para el ahorro de energía

2) La variación de las condiciones externas atmosféricas no influye sobre el tiro y, por consiguiente, sobre la combustión. 3) La presión disponible hace circular los gases de combustión con mayor velocidad y turbulencia, lo que permite un mayor intercambio de calor e igualdad de superficie. El calor producido por metro cuadrado de superficie de calentamiento es del orden de 25.000 + 35.000 kcal/h, e incluso más, mientras que en las calderas de acero de tiro natural con combustible líquido es de 10.000 a 11.000 kcallh. 4) La mayor velocidad de los humos en los pasos previstos en la caldera dificulta la deposición de hollín y, por tanto, el ensuciamiento, de modo que la caldera a presión, cuando funciona correctamente, requiere una limpieza menos frecuente. Por contra, el gasto de energía eléctrica en calderas presionizadas es mayor que en calderas normales. Por otra parte, al tener un rendimiento tan elevado se aumenta la fatiga térmica, que reduce la duración de la caldera y el ru ido que puede exceder del normal tolerable por los usuarios. MEDIDAS Y DISPOSITIVOS DE AHORRO

Al tratar de los combustibles y de la combustión se han expuesto estrategias para el ahorro energético, que lógicamente son de aplicación a las calderas. Aparte de tales medidas pueden darse aquí otras específicas de estos equipos.

Figura 26. Sistema de quemador regenerativo. El aire de combustión es calentado por los propios gases o humos de la combusUón.

Productos de combustión

Productos de combustión calientes

Gas natural Humos colienlts a altl velocidad Aire de combustión

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Calderas y generadores de vapor

Figura 27. El agua de alimentación a la caldera de vapor se precalienta en un economizador mediante los humos calientes. Estos humos sirven a continuación para calentar el agua de aporte o reposición.

Vapor Condenaodoe

Aguo

Efectivamente, como medidas de ahorro energético pueden darse las siguientes: - Al tratar de aumentar la capacidad de generación de calor (aumento de la potencia en calderas) conviene analizar si es posible disminuir la demanda o uniformar la carga. Estas medidas van a incrementar el rendimiento de la explotación. - Hay que procurar que las calderas funcionen cercanas a su potencia de diseño. Así el rendimiento de las mismas será máximo. - Conviene eliminar el funcionamiento todo-nada de los quemadores, ya que éstos, antes de encenderse, exigen un tiempo de barrido con aire (en general frió) lo cual comporta una pérdida por enfriamiento del hogar. Figura 28. El aire de combustión antes de entrar en el quemador se calienta mediante un intercambiador-recuperador rotativo por el que pasan los humos antes de salir por la chimenea.

Humos

Recuperador

Aire frlo

Caldero u horno

GN

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Dispositivos y sistemas para el ahorro de energía

- En los generadores de vapor conviene limitar las purgas de lodos, haciendo el adecuado tratamiento del agua de alimentación y automatizando dicha operación. - El empleo de sistemas automáticos de control debe ayudar a evitar cambios súbitos de la demanda, que comportarán variaciones en el factor de carga de las calderas. Figura 29. Mediante un intercambiador humosaire del tipo de placas o de tubos de vidrio puede aprovecharse el calor de los humos para calentar una nave industrial.

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- Cuando funcionen en paralelo varias calderas, es recomendable disponer registros motorizados en las chimeneas individuales de modo que éstas queden cerradas cuando una caldera esté parada. De esta forma el tiro de la chimenea no enfriará la caldera y, en consecuencia, se perderá calor. Ya se ha visto la importancia que tienen las pérdidas por los humos en la chimenea. Estos están a una temperatura mucho más alta que el agua de reposición o la de alimentación en las calderas de vapor. Y también la temperatura de los humos es superior a la del aire necesario para la combustión. Estos hechos permiten utilizar dispositivos de recuperación de calor aplicables a las calderas. Entre ellos se describen los siguientes: a) Economizadores

Se trata de intercambiadores humos/agua para el calentamiento del agua de alimentación a los generadores de vapor. Se puede llegar a ahorrar hasta un 5 % del combustible usado. Son aconsejables cuando se quema gas, ya que no se presentan problemas de corrosión debido a la ausencia de azufre en el combustible. b) Lavadores de humos

Son unos aparatos destinados a recuperar el calor de los humos, enfríandolos mediante una ducha de agua por debajo del p1 u nto de rocío de las

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Calderas y generadores de vapor

mismas (alrededor de los 50 ºC). De esta forma se aprovecha incluso el calor latente de vaporización del agua (el agua al calentarse absorbe calor, el cual vuelve a desprender en cuanto condensa). Con la combustión de gas natural se minimizan los problemas de corrosión. c) lntercambiadores rotativos

Son intercambiadores humos/aire. Los humos pasan a través de un segmento de un tambor rotativo que gira a muy baja velocidad y que está formado por un elemento metálico con mucha superficie para absorber el calor de los humos calentándose. La parte calentada pasa seguidamente de modo continuo por otro segmento a través del cual se insufla aire de combustión que absorbe el calor contenido en el elemento metálico. Así, el aire se calienta antes de entrar en el quemador, con lo cual se ahorra el combustible necesario para calentarlo desde la temperatura ambiente hasta la temperatura adquirida por el aire a la salida del intercambiador. Figura 30. En ciertos casos y con combustibles limpios (como el gas) es posible utilizar un lavador de gases para obtener el calentamiento del ag.ua de proceso a expensas del calor de los humos.

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d) Quemadores regenerativos

Actualmente está en fase de desarrollo de aplicación para la combustión del gas un tipo de quemador llamado regenerativo o autorecuperador, que incorpora en el propio equipo el sistema de recuperación humos/aire de combustión. Aunque son de aplicación en los hornos industriales es posible que en el futuro se puedan adoptar para su aplicación a las calderas.

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Distribución de la energía térmica

CONSIDERACIONES GENERALES

El calor es transportado con frecuencia desde el centro de producción a los puntos de consumo y ello se hace empleando fluidos de transporte de características adecuadas. Cuando se trata de transportar energía térmica calorífica (calor) suelen usarse fluidos de corriente aplicación como son, obviamente, el agua y el aire. En cambio, para el transporte de energía frigorífica suele hacerse uso, además de los anteriores, de fluidos menos corrientes como son los derivados fluoroclorados de los hidrocarburos (refrigerantes tipo Freon, Frigen, etc.), el amoníaco o las salmueras (de cloruro cálcico o sódico, de etilen-o propilen-glicol, etc.). Lo cierto es que, en cualquier caso, se trata de un fluido de alta o baja temperatura que circula por una tubería (líquidos) o por un conducto (aire). Al estar las tuberías o conductos en contacto con el ambiente tienden a perder o ganar calor según se trate de transportar un fluido caliente o frío. Se comprende, pues, que de poco puede servir el producir energía térmica con un buen rendimiento, es decir, escasas pérdidas, si después en el transporte se producen importantes pérdidas energéticas. ¿Cómo se producen en general estas pérdidas? Fundamentalmente porque las líneas de transporte están mal aisladas y, en segundo lugar, por las fugas de fluido que se producen en los puntos de unión (bridas, accesorios roscados) entre tramos, en las válvulas o en los registros, etc. Es por ello que una primera precaución para ahorrar energía es la de inspeccionar y mantener en buen estado las líneas de transporte, evitando al máximo las pérdidas o fugas de fluido. Unas consideraciones relativas al aislamiento de las tuberías se han hecho ya en un capítulo anterior. Por ello, aquí no se insiste este importante aspecto, resumiéndose únicamente los puntos importantes que inciden en el ahorro de energía en lo siguiente: - Conviene aislar adecuadamente todas las conducciones de fluidos , protegiendo el aislamiento contra daños físicos y el efecto de la humedad. - En algunos casos, parte de las conducciones calientes se dejan sin aislar con objeto de aprovechar las pérdidas para la calefacción ambiental de locales. Conviene asegurar que esta medida es efectiva y vale únicamente en época invernal.

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Dispositivos y sistemas para el ahorro de energía

- En el caso de los recipientes abiertos conviene proteger la superficie con algún tipo de elemento (tapa, bolas de plástico etc.) que eviten pérdidas por evaporación cuando no se procesen tales recipientes. - Inspeccionar regularmente el estado de las conducciones, corrigiendo tan pronto como sea posible cualquier fuga en las mismas.

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Figura 31. Diagrama de las pérdidas de calor en tuberías a 100 ºC aisladas con coquifla de fibra de vidrio de diverso espesor.

DISTRIBUCIÓN DE VAPOR

El vapor de agua es uno de los fluidos térmicos más ampliamente usados en la industria. En la mayor parte de los procesos se utiliza vapor saturado a una presión relativamente baja que, en general, no está lejos de los 4 bar (kglcm 2) . Los generadores de vapor suelen hacerse trabajar a presiones mayores que la de utilización por dos razones principales: una la de garantizar los valores mínimos de presión en la utilización , a pesar de las caídas de presión que se tengan en las líneas, y otra con el fin de tener la seguridad de contar con vapor seco, para lo cual suele reducirse la presión en una válvula reductora para obtener vapor ligeramente sobrecalentado. La generación de vapor a una presión más alta que la realmente necesaria significa un mayor gasto de energía térmica. Por consiguiente, conviene ponderar con cuidado la conveniencia de generar el vapor a una presión excesivamente elevada, sobre todo cuando posteriormente se rebaja la presión a través de una válvula reductora de presión . Muchas veces existen cargas fluctuantes en la utilización de vapor que obligan al generador a funcionar muy lejos de su punto óptimo de funcionamiento (máximo rendimiento). En estos casos conviene considerar la

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Distribución de la energía térmica

oportunidad de utilizar un acumulador de vapor, es decir, un tanque a presión con agua que se calienta (o mejor se sobrecalienta, pues no llega a hervir) a la presión del vapor con el caudal de éste que no se utiliza en los momentos de bajo consumo. En los momentos de carga punta el agua sobrecalentada produ1ce vapor a una presión más baja, que puede utilizarse en el proceso. De esta forma, la caldera o generador puede funcionar de manera estable a su máximo rendimiento. DISTRIBUCIÓN DE AGUA

Las consideraciones que se hacen se refieren al agua como fluido de transporte de calor, es decir, al agua caliente (hasta 100 ºC), al agua sobrecalentada o agua caliente a presión.

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Pérdidas de ca lor al ambiente

Las ventajas del agua como fluido portador de calor son muchas, y desde el punto de vista del ahorro de energía conviene poner de manifiesto que, al manipulars,e en circuito cerrado, no requiere costosos sistemas de tratamiento químico ni reposición continuada del agua, cosa que en el caso del vapor hay que hacer para compensar pérdidas de condensados en purgas inevitables y necesarias, o por defectos en las líneas de condensado y purgadores, o por revaporizado en los tanques de condensado, o por razón del uso que se da al vapor.

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Figura 32. Diagrama de las perdidas de calor de tuberías a 150 ºC aisladas con caqui/la de fibra de vidrio de diverso espesor. Compárase con /os valores de la figura anterior para ver la influencia de la temperatura.

Frío industrial

DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN Y DISTRIBUCIÓN

En el terreno de la técnica de la refrigeración existen diversos sistemas básicos de generación de frío, que abarcan desde los más clásicos de compresión hasta los relativamente novedosos como son los basados en el efecto termoeléctrico o en el efecto del tubo de torbellino. Sin embargo, en el terreno práctico industrial se utilizan solamente los sistemas de compresión de vapor basados fundamentalmente en el empleo de compresores mecánicos. Al hablar aqu í de terreno industrial no cabe duda que también se piensa en las aplicaciones comerciales, o incluso domésticas, de la refrigeración (climatización, aparatos de uso doméstico, etc.). Para un conocimiento profundo de los distintos procedimientos hay que acudir a los tratados especializados; aquí se partirá de la idea que la teoría de la refrigeración es conocida sobre todo en lo tocante a la que se basa en el ciclo de compresión de vapor. Figura 33. Este diagrama ayuda a comprender el funcionamiento de los sistemas frigoríficos.

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30.000 85.000 190.000

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400 1.000 2.000

Iluminación de interiores donde se precise una buena apreciación del cofor.

2.000

54,7

28

lntantáneas

1.500

50,5

20

Aplic.Kiones

1.000

2:3.000

250 400 700 1.000

Tiempo de encendido

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1.500 a 15.000

2-4 min

35 55 135

22

4.800

22 43 43

8.000 22.000 33.000

84,2 103,8 123,6 148

10.000 a 20.000

5-9min

Vapor sodio alta presión

250 400 1.000

30

34

25,000 48.000

42

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PaAings, autopistas, 3-5 min

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Alumbrado ~úblico, parkings, po idepon1vos, parques exteriores de fábricas,

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Iluminación de grandes espacios interiores, parking. calles, pistas deportivas,

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