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I

Equation Chapter 1 Section 1

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Química

Análisis Del Potencial De Recuperación De Calor En

La Industria

Autor: Javier Loma Domínguez

Tutor: Rocío González Falcón

Dpto. Ingeniería Energética

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2018

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Química

Análisis Del Potencial De Recuperación De Calor

En La Industria

Autor:

Javier Loma Domínguez

Tutor:

Rocío González Falcón

Profesor titular

Dpto. Ingeniería Energética

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2018

Proyecto Fin de Carrera: Análisis Del Potencial De Recuperación De Calor En La Industria

Autor: Javier Loma Domínguez

Tutor: Rocío González Falcón

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2018

El Secretario del Tribunal

A mi familia

X

Índice

Índice ............................................................................................................................................................ X

Índice de Tablas ........................................................................................................................................... XII

Índice de Figuras ........................................................................................................................................ XIV

1 INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................... 1

2 TECNOLOGÍAS PARA LA RECUPERACION DE CALOR ............................................................................... 3 2.1. Intercambiadores de Calor .............................................................................................................................. 4

2.1.1 Intercambiadores de Calor Tubulares ............................................................................................... 4 2.1.2 Intercambiadores de Placas................................................................................................................ 8 2.1.3 Intercambiadores de Superficie Extendida ..................................................................................... 11 2.1.4 Regeneradores .................................................................................................................................. 12 2.1.5 Criterios de Selección ........................................................................................................................ 13

2.2 Sistemas de Almacenamiento Térmico .................................................................................................... 14 2.2.1 Almacenamiento en forma de calor sensible.................................................................................. 15 2.2.2 Almacenamiento en forma de calor latent ..................................................................................... 16 2.2.3 Almacenamiento químico: ............................................................................................................... 17

2.3 Cogeneración ............................................................................................................................................. 18 2.3.1 Sistemas de cogeneración ................................................................................................................ 19 2.3.2 Equipos Para La Cogeneración ......................................................................................................... 20 2.3.3 Aplicaciones de la Cogeneración para la Recuperación de Calor .................................................. 22

3 METODOLOGÍA .................................................................................................................................... 29 3.1 Potencial de Recuperación de Calor ......................................................................................................... 29 3.2 Análisis Del Proceso ................................................................................................................................... 30 3.3 Caracterización de las Emisiones.............................................................................................................. 30 3.4 Evaluación Técnica .................................................................................................................................... 31 3.5 Evaluación Económica: ............................................................................................................................. 31

4 CASO PRÁCTICO ................................................................................................................................... 32 4.1 Análisis Del Proceso ................................................................................................................................... 32

4.1.1 Obtención de materias primas ......................................................................................................... 32 4.1.2 Almacenamiento y Preparación de combustibles: ......................................................................... 33 4.1.3 Cocción Del Crudo ............................................................................................................................. 34 4.1.4 Molienda y Almacenamiento De Componentes Del Cemento ...................................................... 36 4.1.5 Almacenamiento Del Cemento ........................................................................................................ 36

4.2 Caracterización De Las Emisiones ............................................................................................................ 38 4.2.1 Salida Del Sistema De Ciclones ......................................................................................................... 38 4.2.2 Salida Del Enfriador De Clínker ......................................................................................................... 39

4.3 Evaluación Técnica .................................................................................................................................... 39 4.3.1 Descripción De La Instalación ........................................................................................................... 40 4.3.2 Cálculo de la Energía a Recuperar .................................................................................................... 40 4.3.3 Selección Del Aceite Térmico ........................................................................................................... 42 4.3.4 Sistema de recuperación de calor primario .................................................................................... 43 4.3.5 Simulacion De La Instalacion ............................................................................................................ 46 4.3.6 Sistema de Generación ORC ............................................................................................................. 49

4.4 Evaluación Económica .............................................................................................................................. 50

5 CONCLUSIONES.................................................................................................................................... 54

BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................................. 56

ANEXO A.1 .................................................................................................................................................. 57

ANEXO A.2 .................................................................................................................................................. 59

ANEXO A.3 .................................................................................................................................................. 62

ANEXO A.4 .................................................................................................................................................. 64

XII

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1 Referencias de Parámetros de Tecnologías de Almacenamiento Térmico 15

Tabla 4.1Datos a la Salida del Sistema de Ciclones 38

Tabla 4.2 Datos a la Salida del Enfriador 39

Tabla 4.3 Potencia Recuperable A La Salida De Ciclones 41

Tabla 4.4 Potencia Recuperable A La Salida Del Enfriador 42

Tabla 4.5Fluidos Orgánicos Para Ciclo ORC 46

Tabla 4.6Cálculos Económicos Para Una Producción De 500000 Toneladas Al Año 51

Tabla 4.7 Económicos Para Una Producción De 1005000 Toneladas Al Año 52

Tabla 5.1Tabla De Propiedades Aceite Térmico Dowtherma 62

Tabla 5.2Tabla Datos Ciclos ORC Turboden 63

Tabla 5.3Composicion De Las Corrientes En La Simulación 64

Tabla 5.4Propiedades De Las Corrientes En La Simulación 64

XIV

ÍNDICE DE FIGURAS

Ilustración 2.1Tecnologías Para la Recuperación de Calor 3

Ilustración 2.2 Clasificación de Intercambiadores de Calor 4

Ilustración 2.3Configuración de Intercambiadores Según TEMA 6

Ilustración 2.4Intercambiador de Doble Tubo 8

Ilustración 2.5Intercambiador de Placas PHE 9

Ilustración 2.6Intercambiador en Espiral (SHE) 10

Ilustración 2.7Ejemplo Instalación Regeneradores Matriz Fija 12

Ilustración 2.8Regenerador Rotativo 13

Ilustración 2.9Tipos de Almacenamiento Térmico 15

Ilustración 2.10 Propiedades de Materiales para el Almacenamiento de Energía Sensible 16

Ilustración 2.11 Propiedades de Materiales para el Almacenamiento de Energía Latente 17

Ilustración 2.12Reacciones para el Almacenamiento de Energía 18

Ilustración 2.13Principio de Funcionamiento de la Cogeneración 19

Ilustración 2.14Esquema de un Funcionamiento de un Ciclo Superior 20

Ilustración 2.15Esquema de Funcionamiento de un Ciclo de Cola 20

Ilustración 2.16Tipos de Ciclos para las Turbinas de Gas 21

Ilustración 2.17Ciclo Rankine Ideal 23

Ilustración 2.18Ciclo Rankine Real 24

Ilustración 2.19Configuración de un ORC 26

Ilustración 3.1 Potenciales de Recuperación 30

Ilustración 4.1Esquema de un Horno de Clínker 36

Ilustración 4.2Esquema Completo de la Producción de Cemento 37

Ilustración 4.3 Gráfico T-H En El Recuperador A La Salida Del Sistema De Ciclones 44

Ilustración 4.4 Gráfico T-H En El Recuperador A La Salida Del Enfriador 45

1

1 INTRODUCCIÓN

La eficiencia energética se basa en cubrir las necesidades que se requieren con el menor consumo de energía,

ya sea proveniente de combustibles o energía eléctrica.

El consumo del sector industrial se estima en un tercio de toda la energía producida en los países desarrollados.

Durante estos procesos se estima que del 20 al 50% de la energía consumida es perdida a través de corrientes

de calor residual.

En la casi la totalidad de los procesos industriales es necesario un aporte de calor en algún punto del proceso,

esto ocasiona como efecto secundario que se produzcan focos de calor residual, en forma de radiación, gases

de salida de proceso o aire caliente.

Con el aumento del precio de los combustibles y las restricciones medioambientales cada vez es más necesario

reducir estas emisiones de calor residual de manera que se obtenga un menor consumo energético global, lo

que conlleva a un aumento de la eficiencia del proceso industrial en cuestión y menor cantidad de emisiones a

la atmósfera.

Una forma de reducir estas emisiones de calor residual es recuperarlas de forma que se aproveche su energía

térmica para abastecer ciertas necesidades, dentro de la industria o fuera de ella.

El objetivo de este proyecto es realizar una visión general de algunas de las tecnologías de recuperación de

calor que se usan en la industria para posteriormente plantear un proceso de análisis, basado en datos de la

industria, para determinar la viabilidad del uso de una tecnología de recuperación de calor en una industria

específica, determinando en última instancia las repercusiones económicas que ello conlleva.

3

2 TECNOLOGÍAS PARA LA

RECUPERACION DE CALOR

En la mayoría de los procesos industriales gran parte de la energía que entra al proceso sale en forma de

efluentes con una gran energía térmica. Poder recuperar este tipo de energía se hace indispensable para mejorar

el rendimiento total del proceso industrial en cuestión.

Durante años la recuperación de los excedentes de calor de los procesos industriales ha sido estudiada y

analizada para buscar la mejora continua de las tecnologías implicadas en este tipo de procesos.

Estas tecnologías pueden ser categorizadas como tecnologías pasivas o tecnologías activas de recuperación de

calor. En las tecnologías pasivas los equipos transfieren la energía térmica a la misma o a menor temperatura,

en este tipo de tecnologías se incluye el uso de intercambiadores de calor para aportar calor a otra corriente y el

uso de equipos de almacenamiento térmico, que permite desacoplar la fuente generadora de calor con la

receptora. Las tecnologías activas para la recuperación de calor transforman la energía térmica a otro tipo de

energía, o aumenta su temperatura. En este documento se analizará como tecnología activa el uso de la energía

térmica para producir electricidad principalmente.

Ilustración 2.1Tecnologías Para la Recuperación de Calor

TECNOLOGÍAS PARA LA RECUPERACION DE CALOR

4

2.1. Intercambiadores de Calor

Un intercambiador de calor es un equipo diseñado para transferir energía, en forma de calor, entre dos o más

fluidos con diferentes temperaturas. Estos equipos son ampliamente usados en la industria para aplicaciones

que conlleven el aumento o disminución de temperatura de cualquier corriente de fluido.

En algunos de estos equipos los fluidos que intervienen en el proceso están en contacto directo entre ellos. En

otros intercambiadores no se produce contacto entre los fluidos, por lo que la transferencia de calor entre ellos

se produce a través de una superficie que se denomina superficie de transferencia de calor, éstos equipos se

denominan intercambiadores de contacto indirecto.

Existen dos tipos principales de intercambiadores de contacto indirecto, los que se denominan de transferencia

directa o recuperadores y los que se denominan de transferencia indirecta o regeneradores. En los

recuperadores los fluidos atraviesan el equipo con un flujo continuo y la transferencia se realiza a través de una

superficie fija de separación. En los regeneradores la transferencia de calor se realiza a través de una matriz por

la que fluyen alternativamente las diferentes corrientes, cediendo calor a la matriz en un caso y absorbiendo

calor de la matriz en otro.

Los intercambiadores de calor se pueden clasificar según su proceso de transferencia de calor, el número de

fluidos involucrados en el proceso, su función en el proceso, la disposición de los flujos, el mecanismo de

transferencia de calor o su estructura constructiva. Este documento se centrará en esta última.

Ilustración 2.2 Clasificación de Intercambiadores de Calor

2.1.1 Intercambiadores de Calor Tubulares

Este tipo de intercambiadores se construyen generalmente usando tubos de secciones circulares a través de las

que pasa uno de los fluidos, aunque también se pueden diseñar con secciones transversales que difieren de la

circular, la mayoría elípticas y rectangulares. Existe una gran flexibilidad de diseño para estos equipos, debido

a que el área de paso de flujo, y por consiguiente la superficie de transferencia de calor, puede variar

fácilmente cambiando el diámetro de los tubos, la longitud y la disposición del conjunto de tubos que forman

el equipo. El diseño de los intercambiadores tubulares se puede adaptar a cualquier temperatura y presión de

operación, la única limitación existente es el material de construcción del equipo y ciertas consideraciones del

sistema. Su alta flexibilidad también los hace aptos para ser diseñados para condiciones especiales de

operación: fluidos corrosivos, con alta viscosidad, radiactivos, etc.

5 Análisis Del Potencial De Recuperación De Calor En La Industria

Los principales tipos de intercambiadores tubulares son: intercambiadores de carcasa-tubo, intercambiadores

de doble tubo, intercambiadores espirales y serpentines.

2.1.1.1 Intercambiadores de Carcasa- Tubo

Este tipo de intercambiadores suele ser el más utilizado en la industria, debido a que es posible adaptarlo a una

gran cantidad de procesos gracias a su amplia flexibilidad respecto a rangos de presión y temperatura, algo que

condiciona enormemente la elección del tipo de intercambiador para cada proceso.

Los intercambiadores de carcasa-tubo se componen, en su mayoría, de una bancada de tubos montada dentro

de una carcasa cilíndrica, siendo los ejes de estos dos elementos necesita para el proceso, la caída de presión

dentro del equipo, la reducción del estrés térmico, la corrosión en el equipo y la prevención de fugas el equipo

se diseña de una forma u otra. El uso y diseño durante décadas de estos equipos ha originado que existan unos

criterios bien establecidos de diseño y una notación específica, desarrollada por la asociación de constructores

de intercambiadores tubulares (TEMA), para la denominación de los equipos según sus partes constructivas.

Usando esta notación cada intercambiador de carcasa-tubo se puede definir usando tres letras que

corresponden a su tipo de cabezal frontal, al tipo de carcasa y al tipo de cabezal posterior.


6

Ilustración 2.3Configuración de Intercambiadores Según TEMA

Siguiendo esta nomenclatura los tipos más comunes de intercambiadores usados en la industria serían los

siguientes:

BEM: Se los conoce como intercambiadores de lámina y tubo fijo (fixed tube sheet) y son

comúnmente usados por su simplicidad y su bajo coste. Aunque el interior de los tubos es

accesible a una limpieza tanto mecánica como química en el exterior de éstos solos es posible

una limpieza por métodos químicos. Si la diferencia de temperaturas entre los fluidos del

interior y exterior de los tubos que componen el equipo es demasiado alta puede ser necesario

incorporar una junta de expansión en la carcasa del equipo, para eliminar el estrés mecánico


que esto puede producir. Si esta diferencia es muy alta se debería considerar otro tipo de

configuración para el equipo.

BEU: Son intercambiadores en los que los tubos que lo conforman tienen forma de U (U-

Tube type). Normalmente este tipo de equipos son más caros que los intercambiadores de

lámina y tubo fijo, pero esta diferencia de coste no suele ser realmente significativa. La

principal ventaja de este tipo de equipos, respecto al anterior, es la posibilidad de extraer la

bancada de tubos de la carcasa, haciendo posible un limpiado mecánico de la superficie

externa de los tubos y un mantenimiento más fácil del equipo. La forma en U de los tubos

dificulta un limpiado mecánico por el interior de éstos por lo que estos equipos se suelen

utilizar cuando el fluido que va a pasar por el interior de la bancada de tubos es limpio. Como

desventajas estos equipos pueden conllevar una dificultad extra a la hora de reemplazar

alguno de los tubos que lo conforman, debido a que puede ser necesario extraer algunos tubos

colocados en una posición más externa para poder acceder al tubo que sería necesario

reemplazar. Otra desventaja importante de este tipo de equipos es que, debido a la forma en U

de los tubos, no se puede trabajar con flujos a contracorriente, lo que conlleva una reducción

en la efectividad. Una alternativa es usar un deflector longitudinal (BFU) lo que permite un

flujo a contracorriente dentro del equipo de una forma relativamente económica.

AES: Llamados intercambiadores de cabezal flotante (floating head type). Este tipo de

intercambiadores se relaciona generalmente con procesos en los que se trabaja con alta

presión y/o temperatura, son muy utilizados en petroquímica. En este tipo de equipos la

bancada de tubos se puede sacar completamente por lo que facilita el mantenimiento y el

reemplazo de los tubos. La placa de tubos situada en la entrada del fluido que recorre el

interior de los tubos tiene un diámetro mayor que la carcasa y está sellada de una manera

similar a los equipos de lámina fija. La otra placa de tubos tiene un diámetro ligeramente

menor que la carcasa, permitiendo a la bancada de tubos pueda tener movimiento con

respecto a la carcasa.

BES: El uso de un cabezal frontal fijo es una opción con un coste de inversión menor que si

se usa un cabezal desmontable (Tipo A) pero grandes tamaños el coste de mantenimiento se

puede disparar por lo que se opta, generalmente, por el tipo A.

La TEMA también marca unos estándares respecto al diseño, fabricación y materiales de estos equipos,

clasificándose en tres categorías diferentes: R, C y B. La clase R se usa para procesos en condiciones severas,

como puede ser en la petroquímica; la clase C para procesos con condiciones no tan exigentes y la clase B se

usa para procesos químicos, usando en su construcción materiales no férreos.

2.1.1.2 Intercambiadores de Doble Tubo

Es un tipo de equipo muy básico. Su estructura principal consiste en dos tubos concéntricos, montado uno

dentro del otro, a través de los cuales fluyen los dos fluidos entre los que se quiere intercambiar calor. Se

suelen usar frecuentemente para aplicaciones donde uno o ambos fluidos estén a una alta presión y para

capacidades pequeñas. Estos equipos tienen la ventaja de tener un flujo a contracorriente puro.


8

Los tubos en este tipo de equipos pueden ser lisos o aleteados, con el fin de aumentar la superficie de

transferencia entre los fluidos. La elección entre tubos lisos o aleteados suele estar condicionada por el coste ,

para equipos pequeños donde es necesario mejorar la superficie de transferencia y el fluido en el tubo interior

tiene un coeficiente de transferencia relativamente alto suele ser más económico la elección de tubos aleteados.

Por norma general estas unidades son más económicas si el coeficiente de transferencia del fluido externo es

menor al 25% del coeficiente del fluido interno.

Ilustración 2.4Intercambiador de Doble Tubo

2.1.2 Intercambiadores de Placas

Este tipo de intercambiadores de calor suelen estar compuestos por finas láminas, que conforman la superficie

de transferencia de calor. No se suelen usar para altas diferencias de presión o temperatura entre los fluidos

implicados en el proceso. Se pueden clasificar en varios grupos: intercambiadores de placas, intercambiadores

en espiral, intercambiadores de placas con serpentín e intercambiadores lamella.

2.1.2.1 Intercambiadores de Placas (PHE)

Conocidos como plate heat exchangers (PHE). En este tipo de intercambiadores los fluidos están separados

por placas rectangulares montadas en un marco. Generalmente las placas poseen un diseño corrugado con el

fin de aumentar la superficie de transferencia entre los fluidos Los fluidos entran por los extremos de las placas

recorriéndolas alternativamente, de modo que siempre estén en contacto una sección que contiene fluido

caliente con una que contiene fluido frio. Son equipos que presentan una gran superficie de contacto en un

espacio reducido. Dentro de este grupo de intercambiadores se puede diferenciar entre los que usan juntas

entre las placas que lo conforman y los que usan placas soldadas entre sí.


Los intercambiadores de placas que usan juntas poseen un diseño muy flexible, que pueden ser adaptados

desde un diseño estándar, por lo que se pueden producir en serie. Para diseños comunes las placas se fabrican

en acero inoxidable, pero otro material comúnmente utilizado es el titanio y se podrían fabricar en otros

materiales si fuera necesario. Las juntas entre las placas, que son la principal limitación en este equipo, están

fabricadas generalmente en caucho etileno propileno o elastómero de nitrilo, pero hay una gran variedad de

materiales que se pueden usar para este propósito y se deberán elegir teniendo en cuenta los fluidos con los que

va a trabajar el equipo.

Una de las mayores ventajas de este tipo de equipos es la posibilidad de aumentar el tamaño del mismo,

simplemente añadiendo más placas al equipo, lo que conlleva un coste pequeño.

Los equipos en los que las placas están soldadas entre si solucionan los problemas que pueden venir derivadas

por el uso de juntas en el equipo. Con las placas soldadas se puede llegar a trabajar a una presión de 60 bar

dentro del equipo, aunque existe una limitación a la hora de trabajar con una diferencia de presión entre los dos

fluidos mayor a 30 bar.

Como desventaja respecto al uso de juntas en este tipo de equipos es su precio más elevado y la dificultad

añadida para limpiar el equipo, siendo necesaria una limpieza química.

2.1.2.2 Intercambiadores en Espiral (SHE)

La estructura básica e este tipo de equipos consiste en dos láminas metálicas unidas entre sí, dejando un

espacio interior para que circule un fluido, y enrolladas alrededor de un eje, formando una serie de pasajes en

espiral por los que circularán los fluidos implicados en el intercambio de calor, de esta forma se consigue una

gran superficie de transferencia en poco espacio.

En el diseño a contracorriente de este tipo de equipos, el fluido caliente entra por la parte central del equipo y

sale por la parte exterior, mientras que el fluido frio hace el recorrido a la inversa, entra por la periferia del

equipo y fluye hacia el centro, por donde termina abandonando el equipo. Existen diseños alternativos que

pueden ser usados para la condensación o evaporación de fluidos.

Ilustración 2.5Intercambiador de Placas PHE


10

El coeficiente de transferencia de calor en estos equipos es menor que en un equipo de placas (PHE) si las

placas que lo conforman no son corrugadas, pero este coeficiente si es mayor que en un equipo de carcasa-

tubo, por lo que el área de transferencia requerida con respecto a un equipo carcasa-tubo es alrededor de un

20% menor.

Como principales ventajas se puede destacar que son equipos que pueden trabajar con fluidos con alta

viscosidad, con partículas en suspensión, con lodos y con fluidos sucios. El ensuciamiento de estos equipos es

menor que en un intercambiador de carcasa-tubo. Son equipos compactos y no presentan problemas de

dilatación diferencial.

Como principal desventaja tiene la necesidad, generalmente, de usar una limpieza química en el equipo y la

dificultad a la hora de las reparaciones debido a sus características constructivas.

2.1.2.3 Intercambiador de Placas con Serpentín

Este tipo de equipos se conocen como plate coils. Están formados por una serie de placas con un serpentín en

su interior, por las que discurre uno de los fluidos, y estas placas están sumergidas en un tanque en el que se

encuentra el otro fluido que forma parte del intercambio.

Como principales ventajas se puede destacar el alto control que se puede tener sobre la transferencia de calor y

temperatura dentro del equipo y los pocos problemas de mantenimiento, contaminación entre fluidos y

limpieza que originan.

Su uso es limitado y en su mayor parte se usan en procesos criogénicos, industria alimenticia y en la industria

farmacéutica.

Ilustración 2.6Intercambiador en Espiral (SHE)


2.1.2.4 Intercambiador Lamella

Los intercambiadores “Lamella” son híbridos entre los intercambiadores de placas y los de carcasa-tubo. En

este tipo de diseño se reemplazan los tubos por una serie de placas y se introducen en una carcasa similar a los

de carcasa-tubo, fijando únicamente uno de los extremos para permitir dilataciones. Son equipos muy

específicos y cuyo diseño lo realizan proveedores.

2.1.3 Intercambiadores de Superficie Extendida

En los intercambiadores de tipo tubular y de placas, ya descritos, la superficie de transferencia de calor

respecto al volumen ocupado por el equipo es generalmente menor a 700m2/m

3. En muchas ocasiones se

necesita una alta efectividad en el equipo, teniendo una limitación respecto al tamaño del equipo, lo que hace

necesario aumentar la compacidad del equipo (la superficie de transferencia con respecto al volumen

ocupado). También puede ser necesaria una gran superficie de transferencia si uno de los fluidos implicados en

la transferencia de calor tiene un bajo coeficiente de transferencia. Este aumento de la superficie de

transferencia se puede conseguir añadiendo aletas a las superficies primarias de los equipos, de lo que surgen

los dos tipos de intercambiadores que se detallaran a continuación: intercambiadores de placa-aleta e

intercambiadores de tubo-aleta.

2.1.3.1 Intercambiador Placa-Aleta

Están formados por una serie de placas paralelas entre las que se sitúan aletas, en cuyos filos se instalan unas

barras laterales, para aumentar la superficie de transferencia. Las corrientes implicadas en el proceso de

transferencia pasan alternativamente entre las placas. Como material de construcción se suele usar el aluminio,

pero en industrias como la aeronáutica también se puede encontrar equipos de acero inoxidable y aleaciones de

níquel.

Estos equipos generalmente se diseñan para trabajar a presiones moderadas (<7 bar), aunque existen equipos

que pueden operar por encima de los 80bar. La limitación por temperatura viene impuesta por el método usado

para unir los componentes del equipo y por los materiales empleados para su construcción. Existen equipos

capaces de trabajar a temperaturas de hasta 840ºC. Este tipo de intercambiadores se pueden construir con una

alta compacidad, hasta 5900m2/m

3, y existe total libertad a la hora de la selección de la superficie de la aleta,

pudiéndose adaptar al fluido que circulará por cada lado del equipo.

El principal problema de estos equipos es el ensuciamiento, por lo que se suele usar para trabajar con fluidos

limpios y es recomendable colocar filtros en la entrada de los fluidos para evitar que se puedan producir

bloqueo de los canales de paso debido a partículas.

2.1.3.2 Intercambiadores Tubo-Aleta

Estos intercambiadores pueden ser clasificados como convencionales o especializados. En un intercambiador

tubo-aletas convencional la transferencia entre los dos fluidos se realiza a través de la pared del tubo por

conducción y a través de la superficie de transferencia de calor por convección. En los intercambiadores

comúnmente llamados “heat pipes”, que son un tipo de intercambiador tubo-aleta de los conocidos como

especializados, la transferencia de calor se lleva a cabo a través de la pared de separación entre los fluidos por


12

conducción y cambio de fase.

En los intercambiadores gas-líquido el coeficiente de transferencia en el lado del líquido suele ser mayor que

en el lado del gas, por lo que se puede optar por usar aletas en la parte del gas para incrementar el área de

intercambio, y si la presión es alta en uno de los fluidos suele ser económico emplear tubos. Las aletas se

suelen situar en el exterior de los tubos, pero en algunas aplicaciones puede ser interesante aletear el interior.

Estos equipos pueden trabajar a grandes presiones por el lado de los tubos y la temperatura de trabajo en el

equipo está limitada por los materiales de construcción y el método de unión entre las partes del equipo. Se

puede llegar a una compacidad de unos 3300m2/m

3.

2.1.4 Regeneradores

Los regeneradores operan de modo transitorio. Su principio de funcionamiento consiste en hacer pasar una

corriente de fluido a través de una matriz de material sólido, en la que se almacena el calor, para después hacer

pasar la corriente de fluido frío. A continuación se detallarán dos tipos de regeneradores: regeneradores de

matriz fija y regeneradores rotatorios.

2.1.4.1 Regeneradores de Matriz Fija

Este tipo de regeneradores consiste en una matriz sólida fija a través de la que pasan alternativamente las

corrientes. Con el fin de hacer continuo este proceso de transferencia de calor se suelen montar estos equipos

usando un sistema de válvulas y tuberías para ir variando el recorrido de los fluidos.

Ilustración 2.7Ejemplo Instalación Regeneradores Matriz Fija

2.1.4.2 Regeneradores Rotativos

En los regeneradores rotativos la matriz de sólido gira alrededor de un eje. Las corrientes de fluido atraviesan

el equipo de forma paralela al eje, normalmente a contracorriente, atravesando diferentes sectores de la matriz.

Cuando un sector está atravesado por la corriente de fluido caliente almacena calor y el movimiento de

rotación del equipo hace que posteriormente ese mismo sector pase a estar en contacto con el fluido frío,

cediéndole el calor almacenado.


Ilustración 2.8Regenerador Rotativo

Por la estructura de construcción del equipo es una tarea complicada evitar fugas de una corriente a otra. Si es

necesario que uno de los fluidos no se contamine con el otro, por ejemplo evitar que una corriente de aire

precalentado sea contaminado por el gas de salida del equipo, con el que se va a hacer la transferencia, se

operaría con una mayor presión en la corriente de aire, de esta forma si se produce alguna fuga en el equipo

sería de la corriente de aire en la de gases de salida.

Algunas de las ventajas de este tipo de equipos serían las siguientes:

Tienen una mayor compacidad que los recuperadores, aportando más superficie de intercambio en menos

espacio. El coste por unidad de superficie de intercambio suele ser considerablemente menor que en un

recuperador. Al pasar las dos corrientes en direcciones opuestas dentro del equipo se produce un efecto de

“auto limpieza” para gases relativamente limpios.

La mayor desventaja sería el inevitable arrastre de una pequeña fracción de fluido, atrapado dentro de la

matriz, por parte de la otra corriente.

2.1.5 Criterios de Selección

Para preseleccionar un equipo de este tipo hay que tener varios criterios en cuenta :

Material de Construcción: Los materiales deben tener buen comportamiento frente a la

corrosión así como a las temperaturas y presiones que se requieran para la aplicación.

Presión: El nivel de presión es un factor muy limitante a la hora de realizar la elección de un

equipo. Habitualmente el nivel de presión condiciona el uso de los intercambiadores de

placas, que son los esquipos que poseen mayor compacidad.

Temperaturade diseño: Este parámetro es importante pues indica si el material soportará la

temperatura de funcionamiento y las cargas térmicas a las que será sometido.

Flujo másico: Cuanto mayor sea el valor del flujo másico mayor área tendrá que disponer el

equipo para reducir la velocidad del flujo a su paso. En ocasiones es necesario imponer una

velocidad minima para evitar zonas estancas o fouling.

Eficiencia térmica: Es la relación del intercambio real de energía térmica en el equipo y el

máximo intercambio posible.

Pérdida de carga: Es un factor que puede estar limitado por los equipos de impulsión de los

que se dispone. Una menor pérdida de carga disminuye los costes de impulsión por lo que es


14

un factor a tener en cuenta.

Tendencia al fouling: El fouling es la deposición de residuos en las superficies de

intercambio, lo que reduce el coeficiente de intercambio y aumenta la pérdida de carga.

Mantenimiento: Los costes de mantenimiento, asi como la facilidad para llevarlo a cabo, es

un factor que puede limitar algunos equipos para ciertas aplicaciones.

Economía: Se tendrán en cuenta los costes de capital, operativos y costes de mantenimiento,

con la finalidad de seleccionar un equipo que cumpla con los requisitos exigidos para el

proceso conllevando el menor gasto posible.

Tamaño: El tamaño de la máquina puede ser un factor limitante. En general los

intercambiadores de placas son los que ofrecen mayor superficie de contacto en un menor

volumen.

2.2 Sistemas de Almacenamiento Térmico

El almacenamiento de energía térmica es un tipo de tecnología de recuperación de calor residual pasiva. Su

principio básico de funcionamiento consiste en, como su propio nombre indica, la capacidad de almacenar

energía térmica en ciertos materiales, ya sea en forma de calor sensible, calor latente o a través de reacciones

químicas reversibles.

Este tipo de tecnología es esencial en el campo de las energías renovables debido a la intermitencia de

producción de energía de éstas. Pero también tienen un campo de aplicación dentro de la industria

posibilitando el desacoplamiento del proceso que genera el calor residual, que puede ser discontinuo, y el

posterior uso de la energía, de este modo se puede hacer un uso bajo demanda de un calor residual que se

perdería de otro modo.

Los materiales que componen un sistema de almacenamiento de energía térmica deben cumplir con los

siguientes requisitos:

Un periodo de vida útil elevado, no corrosivo, no toxico y no ser inflamable.

Alta capacidad de almacenamiento de energía

Una adecuada difusividad térmica y alta difusividad de calor

Capacidad para no perder cualidades de almacenamiento durante los ciclos de carga y

descarga

Disponibilidad, fácil manejo y capacidad de ser almacenado en contenedores

Coste asequible

Bajo cambio de densidad con la temperatura

Un criterio importante a la hora de seleccionar un tipo de almacenamiento de energía térmica es su periodo de

almacenamiento. Este periodo puede variar, según el uso que se le quiera dar a esta tecnología, desde horas

hasta meses. A continuación se expone una tabla resumen de las horquillas de periodicidad, capacidad y coste

entre las que se mueven las diferentes tecnologías que se expondrán.


Tabla 2.1 Referencias de Parámetros de Tecnologías de Almacenamiento Térmico

Tecnología de Almacenamiento Periodo de almacenamiento Capacidad (kWh/t) Coste (€/kWh)

Calor sensible Días/Meses 10-50 0,1-10

Calor latente Horas/Meses 50-150 10-50

Reacciones Químicas Horas/Días 120-250 8-100

En la siguiente ilustración se puede ver un desglose de los diferentes tipos de almacenamiento de energía

térmica:

Ilustración 2.9Tipos de Almacenamiento Térmico

2.2.1 Almacenamiento en forma de calor sensible

El calor sensible es el asociado a un cambio de temperatura en un material. La totalidad de los materiales

tienen la capacidad de absorber y almacenar energía en forma de calor sensible. El calor sensible para una

diferencia de temperaturas dada T = T2-T1 sería:

Qsensible=m*cp*T

Los metales y el grafito son los mejores elementos para este tipo de sistemas gracias a la gran capacidad de

almacenar energía y a la rapidez con la que se pueden cargar y descargar. Otros materiales sólidos presentan

menos ventajas pero su precio es más asequible. Los líquidos presentan la ventaja de poder utilizarse como

medio de almacenamiento o de transporte y los más usados son el agua y los aceites térmicos. En la ilustración


16

2.10 se muestran algunas propiedades termofísicas de los materiales más usados para este tipo de

almacenamiento de energía térmica.

Ilustración 2.10 Propiedades de Materiales para el Almacenamiento de Energía Sensible

2.2.2 Almacenamiento en forma de calor latent

Este tipo de sistemas se basan en el cambio de fase de los materiales para el almacenamiento de la energía.

Estos cambios de fase ocurren a las temperaturas de fusión Tf y temperatura de evaporación Tv. Mientras los

cambios de fase ocurren la temperatura de los materiales no se altera, pero se puede almacenar calor más allá

de estos cambios de fase, almacenando la energía en forma de calor sensible. El calor latente se puede definir

como:

Qlat=hf ó hv

De modo que si el material es calentado desde una temperatura inicial T1 hasta una temperatura final T2,

habiendo cambio de fase, el calor almacenado se puede cuantificar de la siguiente manera:

Qtotal = m cp,solido (Tf-T1) + m hf + m cp,liquido (T2-Tf) (Para el caso de un sólido que se funde)

Y

Qtotal = m cp,liquido(Tv-T1) + m hv + m cp,gas (T2-Tv) (Para el caso de un líquido que se vaporiza)


Una de las ventajas de este tipo de almacenamiento es la capacidad para almacenar calor a temperatura

constante y la posibilidad de seleccionar el material de acuerdo a esta temperatura. En la siguiente ilustracion

se pueden observar las propiedades termofísicas de algunos de los materiales usados para este propósito.

Ilustración 2.11 Propiedades de Materiales para el Almacenamiento de Energía Latente

2.2.3 Almacenamiento químico:

Se usan reacciones químicas reversibles para el almacenamiento de energía térmica. El calor almacenado es

equivalente a la entalpia de la reacción involucrada. El calor se almacena cuando se da una reacción

endotérmica y se libera cuando se produce la reacción exotérmica.

La entalpia de reacción suele ser mucho mayor que las entalpias de cambio de fase y el calor latente que se

puede almacenar en un material en un intervalo de temperaturas razonable. La densidad de almacenamiento

térmico es mayor para el uso de reacciones químicas que para los otros dos tipos de almacenamientos

expuestos.

Para la selección de la reacción implicada se deben tener en cuantos ciertos criterios:

Reversibilidad: La reacción no debe tener reacciones paralelas.

Ratios de reacción: Ambas reacciones deben ocurrir de forma rápida con el fin de poder

almacenar toda la energía disponible.

Controlabilidad: La reacción se debe poder controlar de manera fácil de manera que se pueda

para o continuar con ella cuando se necesite. Esto se puede conseguir con el uso de presión,

temperatura o catalizadores.

Fácilmente almacenable: los productos de la reacción deben ser fácilmente almacenables y no

reaccionar a la temperatura de almacenamiento.

Seguridad.

Coste.


18

A continuación se exponen algunas de las reacciones químicas que se utilizan para este propósito y sus

principales propiedades.

Ilustración 2.12Reacciones para el Almacenamiento de Energía

2.3 Cogeneración

La cogeneración se puede definir como la producción combinada de energía mecánica y térmica a partir de

una fuente de energía primaria. Generalmente la energía mecánica se transforma en energía eléctrica y la

energía térmica se aprovecha para la producción de vapor, calefacción o refrigeración.

La importancia de la cogeneración es tanto de ahorro energético como económica, por lo que en cualquier

instalación en la que coincidan altos consumos de energía calorífica y térmica se hace necesario considerar la

viabilidad de la cogeneración.

El principio básico de funcionamiento de este tipo de tecnología se puede esquematizar de la siguiente manera:


Ilustración 2.13Principio de Funcionamiento de la Cogeneración

Como se puede observar para cubrir las necesidades energéticas, 30 unidades energéticas de electricidad y 50

unidades en forma de calor, usando un sistema de cogeneración se necesitarían 100 unidades energéticas en

forma de combustible, si las necesidades se cubren través del uso de una caldera, para el calor, y de una central

eléctrica se necesitarían 143 unidades energéticas por lo que se observa claramente que el rendimiento usando

un sistema de cogeneración se incrementa de manera notable.

2.3.1 Sistemas de cogeneración

Los sistemas de cogeneración pueden ser clasificados según el uso para el que se destine el uso de la energía

primaria. Si la energía primaria se usa para producir electricidad se denomina ciclo superior (topping cycle) y

si la energía primaria es usada para satisfacer en primer lugar las necesidades de energía térmica de la

instalación se denomina ciclo de cola (bottoming cycle).

Los ciclos superiores son los más comunes. Su funcionamiento se basa en usar combustible para producir

energía mecánica en un motor térmico, trasformando parte de esta energía en electricidad, gracias al uso de un

generador, y utilizando los gases residuales del motor térmico para producir vapor, agua caliente o usarlos en

un secadero. Estos tipos de ciclos se suelen usar en industrias cuyas necesidades de energía térmica no son

muy elevadas.


20

Ilustración 2.14Esquema de un Funcionamiento de un Ciclo Superior

En los ciclos de cola (bottoming cycle) la energía primaria se usa para satisfacer la demanda de energía

térmica necesaria en el proceso y se usa la energía térmica residual para producir energía usando generalmente

un ciclo de Rankine de baja temperatura. Estos ciclos están relacionados con instalaciones en los que la

temperatura de proceso sea muy alta como procesos siderúrgicos, petroquímicos o la producción de cemento.

Ilustración 2.15Esquema de Funcionamiento de un Ciclo de Cola

Desde el punto de vista de la recuperación de calor residual en la industria los ciclos de cola suponen una

alternativa tecnológica para dicho fin.

2.3.2 Equipos Para La Cogeneración

Cada sistema de cogeneración puede ser diferente pero todos han de tener ciertos componentes básicos que se

describen a continuación


2.3.2.1 Máquina Motriz

Estos equipos son los encargados de convertir la energía térmica en energía mecánica que se transmite a través

de un eje conectado al generador. Los equipos más usados para este cometido son: Turbina de gas, turbina de

vapor y motores de combustión alternativos de combustión interna.

Motores Alternativos:

Se usan dos tipos de motores principalmente dependiendo del combustible que se desee

utilizar, si el combustible es líquido se usan motores que siguen un ciclo Diésel y si el

combustible es gaseoso se utilizan motores que siguen un ciclo Otto.

Estos equipos tienen rendimientos altos y pueden trabajar con ciclos continuos y discontinuos

sin que su rendimiento se vea notablemente afectado. El caudal de gases residuales presenta

entre un 20% y un 25% de la energía total y salen a una temperatura entre 350ºC y 550ºC.

Este caudal de gases no es muy elevado pero también se obtiene agua caliente proveniente de

la refrigeración del bloque motor a una temperatura cercana a los 70ºC.

Las aplicaciones para este tipo de máquinas van desde los 50kW hasta los 200MW en ciertas

instalaciones.

Turbinas de gas:

Es una maquina rotativa accionada por la expansión de gases a alta temperatura y presión.

Existen dos tipos de configuración básicos para este tipo de equipos, las turbinas de

combustión interna y de combustión externa. En las turbinas de combustión interna la

combustión se produce con el fluido de trabajo, que tras expandirse en la turbina son cedidos

al ambiente y el compresor vuelve a aportar aire al equipo. En las turbinas de combustión

externa el fluido de trabajo, que puede ser aire o un gas inerte, se encuentra en un ciclo

cerrado, recibiendo y cediendo calor a través de intercambiadores. Este tipo de ciclos permite

el uso de un abanico más amplio de combustibles, al no presentar tantos problemas de

corrosión o desgaste. Este tipo de equipos solo se usan para grandes potencias.

Ilustración 2.16Tipos de Ciclos para las Turbinas de Gas

Turbinas de vapor:

Este tipo de equipos funciona gracias a la expansión de vapor, generado en una caldera, a

través de la turbina. Al usarse vapor como fluido para la expansión su pueden usar un gran


22

número de combustibles para este proceso, incluyendo combustibles sólidos y material

residual. Se pueden diferenciar dos tipos de turbinas de vapor según la presión de salida del

vapor del equipo: las turbinas a contrapresión y las turbinas a condensación.

Las turbinas de vapor a condensación se diseñan para que el vapor salga a una presión baja,

menor que la presión atmosférica, y el vapor es condensado en un condensador a una

temperatura cercana a la atmosférica. Este tipo de turbinas están orientadas a generar la

máxima potencia eléctrica posible, la energía que posee el vapor a su salida es muy baja, lo

que hace que su uso para procesos de cogeneración esté limitado al uso de ciclos de cola para

la recuperación de calor.

En las turbinas a contra presión el vapor que sale de la turbina está a una presión superior a la

atmosférica. El vapor de salida del equipo tiene suficiente energía para ser usado como vapor

de proceso o para calefacción.

2.3.2.2 Sistema de Recuperación de Calor

Es indispensable para un sistema de cogeneración un equipo capaz de recuperar el calor proveniente de las

diferentes corrientes. Estos equipos se denominan generadores de vapor recuperadores de calor (HRSG) por

sus siglas en inglés, caldera recuperadora de calor residual (WHRB) o como caldera de gases de escape de

turbina (TEG).

Este tipo de equipos se diseñan para manejar un gran caudal de gases con una mínima caída de presión, esto

permite generar mayor energía eléctrica en la turbina. Para el diseño de estos equipos se deben tener en cuenta

varios puntos:

La Contrapresión admisible: Altas contrapresiones reducen el coste del equipo pero también

reducen el rendimiento en la turbina. Valores típicos se situan entre 25 y 37 kPa.

Presión y temperatura del vapor.

Punto de acercamiento, Pinch: Esto es la diferencia de temperaturas que existe entre la

corriente residual y el líquido, cuando éste último comienza a vaporizarse. Valores típicos se

situan entre los 11 y los 28ºC.

Temperatura de salida de la chimenea: Esta temperatura debe seleccionarse con el fin de

evitar la formación de ácidos, la decisión dependerá en gran medida del combustible usado en

el proceso.

2.3.2.3 Generador de Energía Eléctrica

Un alternador es el equipo que transforma la energía mecánica generada en la máquina motriz en energía

eléctrica. La mayoría de fabricantes de máquinas motrices suministran conjuntamente la máquina motriz y el

generador.

2.3.3 Aplicaciones de la Cogeneración para la Recuperación de Calor

Como ya se ha comentado anteriormente para la recuperación de calor en la industria usando un ciclo de

cogeneración se debe trabajar con un ciclo de cola, tomando un efluente residual de un proceso que posea una


energía térmica suficiente y usándolo para generar energía eléctrica a través de la expansión de un fluido en

una turbina. Este proceso se rige por el ciclo termodinámico de Rankine.

2.3.3.1 Ciclo de Rankine Ideal:

El funcionamiento del ciclo consiste en utilizar un foco caliente, con suficiente energía para vaporizar agua.

Posteriormente el vapor generado se expande en una turbina provocando movimiento en el eje de ésta,

convirtiendo energía térmica en trabajo. Tras atravesar la turbina el fluido se condensa y se vuelve a bombear

hasta el proceso de vaporización para cerrar el ciclo. Estos procesos se pueden representar sobre un diagrama

T-S para ser analizado.

Ilustración 2.17Ciclo Rankine Ideal

Proceso 1-2:

Se comprime el fluido isentrópicamente en estado líquido. Con un equipo de bombeo se

aumenta la presión del fluido de trabajo hasta la presión de operación de la caldera.

Proceso 2-3:

Se aporta calor al fluido a presión constante. En la primera parte del recorrido el fluido de

trabajo aumenta su temperatura hasta alcanzar la curva de saturación. Una vez alcanzada esta

curva se produce la vaporización del fluido hasta alcanzar el cambio total de fase. Por último

se sigue aportando calor al fluido sobrecalentándolo.

Proceso 3-4:

Expansion isentrópica del fluido en la turbina hasta llegar a la temperatura de funcionamiento

del condensador.

Proceso 4-1:

Se extrae calor al fluido a presión constante, cediéndolo al sistema de refrigeración, hasta

alcanzar el estado de líquido saturado.


24

Realizando un análisis al ciclo se pueden establecer las ecuaciones de balance que lo describen:

𝑤𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝑤𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = ℎ2 − ℎ1

𝑤𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 = 𝑤𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = ℎ3 − ℎ4

𝑞𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝑞𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = ℎ3 − ℎ2

𝑞𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝑞𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = ℎ4 − ℎ1

𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝜂 =𝑤𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 − 𝑤𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎

𝑞𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟

2.3.3.2 Ciclo de Rankine Real:

El ciclo real de Rankine presenta ciertas variaciones con el caso ideal debido a rozamiento en los equipos y

tuberías, lo que genera pérdidas de presión y a las pérdidas de calor que se producen en el circuito. El ciclo se

modifica ligeramente y existen ciertas diferencias entre las bombas y turbinas reales respecto a las

isentrópicas.

Ilustración 2.18Ciclo Rankine Real

El rendimiento de entre las bombas y turbinas reales y las ideales pueden ser tenidos en cuenta para calcular el

rendimiento isentrópico:

𝜂𝑠,𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 =𝑤𝑠

𝑤𝑎=

ℎ2𝑠 − ℎ1

ℎ2𝑎 − ℎ1

𝜂𝑠,𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 =𝑤𝑎

𝑤𝑠=

ℎ3 − ℎ4𝑎

ℎ3 − ℎ4𝑠

Para mejorar el rendimiento térmico del ciclo se busca aumentar el salto entálpico entre los puntos 3 y 4 del


ciclo, lo que se traduce como el calor entregado por la turbina. Hay varios métodos para conseguir este

objetivo:

Reducción de la presión del condensador: Al reducir la presión de trabajo del condensador se

reduce también la temperatura de trabajo de éste por lo que el trabajo entregado por la turbina

aumenta. Ésta modificación puede ocasionar condensación en la turbina pudiendo dañar los

álabes.

Aumento de la presión de la caldera: Aumentando la presión en la caldera se aumenta la

temperatura de vaporización del fluido por lo que aumenta la temperatura a la que se le cede

calor al ciclo y por consiguiente el rendimiento de la turbina. Como desventaja puede

aparecer excesiva humedad en la turbina.

Aumentar la temperatura de entrada a la turbina: Aumentando el sobrecalentamiento del

vapor se consigue un mayor trabajo en la turbina. La limitación viene por parte de los

materiales involucrados en el ciclo que deben de ser capaces de trabajar a temperaturas más

altas.

Recalentamientos intermedios: La expansión del fluido se realizaría en varias etapas

intercalando procesos de expansión y recalentamiento. Con esto se puede evitar la

condensación del fluido en la turbina y aumentar el trabajo global entregado por el ciclo.

Realizar extracciones de vapor en la turbina: Si se realizan extracciones de vapor en la turbina

y se usa este vapor para aumentar la temperatura de entrada a la caldera se aumenta la

temperatura a la que el calor es introducido al ciclo, provocando un aumento del rendimiento

del mismo.

2.3.3.3 Ciclo Rankine Orgánico (ORC)

En el ciclo Rankine orgánico se sustituye el fluido de trabajo que convencional de un ciclo de Rankine, el

agua-vapor, por un fluido orgánico de elevado peso molecular. El uso de fluidos orgánicos se justifica debido a

su menor temperatura de vaporización, de este modo este tipo de ciclos se puede usar para la recuperación de

energía de fuentes a media o baja temperatura, menores a 400ºC.

El cambio de trabajar con un único fluido de trabajo a tener un gran abanico de fluidos para usar repercute en

un aumento de la versatilidad del ciclo, siendo un punto importante para el diseño del equipo la elección del

fluido de trabajo.

Al igual que los ciclos Rankine convencionales este tipo de ciclos se pueden configurar de diferentes maneras

según las necesidades del proyecto. La configuración más utilizada consiste en usar un único escalonamiento

para la expansión en la turbina y usar regeneradores para recuperar parte del calor del fluido de salida en la

turbina como se puede ver en la imagen.


26

Ilustración 2.19Configuración de un ORC

Como fuente de calor es posible el uso directo del efluente del proceso, aunque la mayoría de equipos

comerciales usan un aceite térmico como fluido intermedio, eliminando la necesidad de la proximidad del

equipo de ORC al proceso y facilitando la instalación del equipo.

Las ventajas principales de un ORC serían:

Gracias al uso de fluidos orgánicos muy diversos y a las diferentes propiedades de éstos es

posible usar focos de calor residual de muy baja temperatura, menores a 400ºC y hasta

alrededor de 70-80ºC, para generar electricidad. En estos rangos de temperatura tan bajas un

ciclo de Rankine convencional sería totalmente ineficaz.

El elevado peso molecular de estos compuestos genera un flujo mucho menor que en un ciclo

convencional lo que como resultado nos ofrece un equipo de menor volumen.

Se trabaja en circuito cerrado por lo que se evitan problemas de corrosión, por las propiedades

de los fluidos de trabajo, y pérdidas de fluido, salvo averías.

Mantiene una buena eficiencia con condiciones variables de entrada. Algunos equipos pueden

mantener un 90% de eficiencia al 50% de la carga.

Son ciclos completamente automatizados en los que no son necesarios un personal altamente

cualificado para su supervisión.

Los rendimientos térmicos de este tipo de ciclos llegan hasta el 98%

El rendimiento eléctrico del ciclo se mueve entre 18-26%

La eficiencia del ciclo esta condicionada enormemente por la elección del fluido de trabajo a utilizar en el

ciclo. Algunas de las características más importantes para determinar el uso de un determinado fluido en un

ciclo son la temperatura normal de ebullición, temperatura crítica, presión crítica, peso molecular, flujo

volumétrico y su coste.

Propiedades como la temperatura de ebullición normal, la temperatura crítica, el calor latente de vaporización

y su calor específico influyen en las curvas de saturación del fluido. Éstas curvas tienen una enorme

importancia para el rendimiento del ciclo. Dependiendo de la formal de la curva, lo que se denomina domo de


saturación, se pueden clasificar en tres grandes grupos de fluidos.

En el primer grupo se encuadran los fluidos cuya pendiente de vapor saturado es positiva (dT/dS>0). Esto se

traduce que en el proceso de expansión isentrópica en la turbina la expansión termina fuera de la curva de

saturación, en la región de vapor sobrecalentado. A efectos practicos esto se traduce en un menor riesgo de

formación de gotas de vapor en la turbina, que es un efecto indeseado por ocasionar daños al equipo, y la

necesidad de eliminar mayor cantidad de calor en el evaporador. Un ejemplo son fluidos como el n-pentano o

el benceno.

En el segundo grupo se encuentran los fluidos cuya pendiente de vapor saturado es menor que cero (dT/dS<0),

generalmente denominados fluidos húmedos. Estos fluidos requieren ser sobrecalentas para poder expandirse

en la turbina para evitar condensaciones dentro del equipo que puedan causar daños. Como ejemplos de este

tipo de fluidos tenemos el agua, el amoniaco o el R22.

El tercer grupo esta compuesto por fluidos cuya pendiente de vapor saturado es infinita. Esto significa que la

expansión isentrópica se realiza siguiendo la curva de saturación o una línea paralela a esta. Este grupo es muy

limitado y algunos de los fluidos que componen este grupo son el triclorofluorometano y el

diclorodifluorometano.

Ilustración 2.20 Tipos De Curvas De Saturación De Diferentes Fluidos

2.3.3.4 Ciclo Kalina:

El ciclo Kalina es una variación del ciclo Rankine convencional pero en lugar de usar agua/vapor como fluido

de trabajo se trabaja con una mezcla de agua y amoniaco. Con este cambio en el fluido de trabajo se puede

llegar a aumentar la eficiencia térmica del ciclo entre un 10 y un 20% en ciertas circunstancias.

Con respecto al ciclo convencional la caldera se sustituye por un equipo generador de vapor, y el condensador

por un sistema de destilación/condensación.

Como características a destacar de este ciclo es que puede ser usado a menor temperatura que un ciclo Rankine

convencional y que posee una buena respuesta ante la variación de temperatura de entrada en el ciclo. El

principal inconveniente es que es una tecnología con poco desarrollo comparada con las demás alternativas.

29

3 METODOLOGÍA

A continuación se expone la metodología que se va a usar para determinar el potencial de recuperación de

calor en un proceso industrial considerandos las características de que se pueden encontrar en un proceso de

este tipo donde existen efluentes residuales con cierto nivel energético. Para este fin en primer lugar se hará

una breve descripción de lo que se considera potencial de recuperación.

3.1 Potencial de Recuperación de Calor

Cuando se entra a analizar una industria para determinar el potencial de recuperar calor residual en ella hay

que distinguir entre lo que se considera potencial teórico, potencial técnico y potencial económico.

El potencial teórico se centra en las limitaciones físicas que puede presentar el proceso, esto se refiere a si por

ejemplo se emite calor a una temperatura superior a la del ambiente. Esto conlleva a que el calor que es

emitido en forma de radiación en una industria tiene potencial teórico de recuperación, pero no se tiene en

cuenta el método para extraer este calor o el posible aprovechamiento del mismo.

El potencial técnico se refiere a la capacidad técnica que existe para captar estas fuentes de calor residual que

puede tener una industria y aprovecharlas. Este potencial depende de la tecnología que se decida escoger para

la recuperación de calor, ya que estas tecnologías pueden tener limitaciones, como una temperatura mínima o

la necesidad de espacio, este apartado puede ir cambiando con el tiempo según cambie el estado del arte de la

tecnología en cuestión, y también depende de la demanda que pueda tener la industria, ya que se puede dar la

situación hipotética de tener una tecnología capaz de recuperar calor residual pero no se pueda aprovechar esta

energía.

El potencial económico dicta si es económicamente viable el uso de esa tecnología para recuperar el calor

residual. Partiendo de una tecnología y una aplicación que son tecnológicamente viables se requiere hacer un

análisis económico para evaluar el impacto que supondría la implantación de esta tecnología con respecto al

estado inicial.

METODOLOGÍA

30

3.2 Análisis Del Proceso

El primer paso para determinar el potencial de recuperación en un proceso industrial es, evidentemente, el

estudio del proceso. Cada proceso industrial tiene diferentes subprocesos involucrados con equipos específicos

que desarrollan una cierta labor. Para determinar si es posible desde el punto de vista teórico la recuperación

de calor en la industria es necesario conocer todo el proceso e identificar los puntos en los que se pierde

energía en forma de efluentes residuales. Generalmente el proceso con mayor demanda térmica será el que

tenga el mayor potencial para la recuperación de energía, y estos equipos suelen ser hornos, reactores, etc.

3.3 Caracterización de las Emisiones

Una vez que se ha analizado el proceso y se ha identificado un efluente residual que podría ser usado para

recuperar energía se necesitan conocer los parámetros del efluente en cuestión. Es importante además de

conocer la temperatura y el caudal del efluente, que se pueden medir directamente, conocer los perfiles de

temperatura y caudal. Un efluente con un caudal y temperatura estables, con poca variabilidad o variabilidad

conocida, será mejor candidato para realizar un análisis sobre la posibilidad de la recuperación energética en

él. Estos factores suelen depender de la carga del proceso, de las horas de funcionamiento del proceso al día,

de las paradas necesarias para mantenimiento, de la variabilidad en el consumo de combustible por

especificaciones del proceso o de la variabilidad de la composición de estos combustibles.

Otros factores a tener en cuenta es la composición del efluente a recuperar, un efluente con altas

concentraciones de azufre no conllevará las consideraciones técnicas que uno que no presente este

componente. También es importante conocer parámetros como la viscosidad del fluido, su humedad y si

arrastra muchos sólidos en suspensión.

Esta base de datos toma importancia cuando se requiere registrar consumos de combustible, flujos de aire para

combustión, temperaturas de entrada y salida de gases y fluidos involucrados durante un periodo de tiempo

representativo para determinar las condiciones de trabajo habituales del equipo.

Ilustración 3.1 Potenciales de Recuperación


3.4 Evaluación Técnica

Para un determinado proceso que conlleve efluentes residuales con potencial para ser usados en un proceso de

recuperación de calor pueden existir multitud de alternativas técnicas para llevar a cabo esta operación. En este

documento se nombran algunas de las tecnologías que mayor importancia tienen a la hora de la recuperación

de calor en la industria, ya sean técnicas pasivas, como el uso de intercambiadores de calor directamente como

precalentadores o economizadores en una caldera o el almacenamiento térmico, o técnicas activas, como los

ciclos de transformación de calor residual en potencia, pero para la selección de una determinada tecnología

de recuperación es necesario evaluar las necesidades de la industria estudiada, ya sean necesidades de agua de

proceso, de vapor, térmicas o de energía eléctrica.

Una vez que se conocen las tecnologías disponibles y las necesidades que se pueden cubrir con dichas

tecnologías se puede hacer una selección de una o varias tecnologías para analizar su impacto en la industria

que se está estudiando, realizando una ingeniería básica en la que se determinen todas las modificaciones que

habría que realizar y equipos necesarios para implantar la tecnología de recuperación de calor para

posteriormente determinar su potencial económico.

3.5 Evaluación Económica:

Para determinar la viabilidad de un proyecto para la instalación de un equipamiento que permita la

recuperación de calor de un proceso es determinante realizar una evaluación económica del proyecto. Esta

evaluación económica determinara cuan viable es la implantación del equipamiento que tiene como fin

acarrear un beneficio a la industria con respecto a su estado anterior.

Esta evaluación permite además tomar decisiones con respecto a cómo financiar el proyecto, si es necesario un

inversor externo o es posible hacerse cargo íntegramente del proyecto desde la empresa poseedora de la

industria.

Para este tipo de análisis es necesario conocer datos como la inversión a realizar, los costes de instalación y

puesta en marcha, costes de mantenimiento, costes de operación, etc. Además de los datos propios del

proyecto también son necesarios datos como los índices de inflación o la variación de la tasa de interés. Para

realizar este análisis nos basamos en conceptos como el paybacl, valor actual neto o la tasa interna de retorno.

CASO PRÁCTICO

32

4 CASO PRÁCTICO

El primer paso a realizar en este proyecto para aplicar la metodología anteriormente resumida es seleccionar

un proceso industrial sobre el que realizar el análisis. En este documento se ha decidido optar por realizar el

análisis sobre el proceso industrial de fabricación de cemento.

Las razones principales para realizar esta elección son entre otras la importancia de la industria en España con

respecto a Europa, ya que España es uno de los mayores fabricantes de cemento en la zona, la gran demanda

de recursos del sector, el cual consume alrededor de un 2% de la energía primaria en España, y el amplio

recorrido que tiene la industria, los procesos de producción han sido ampliamente estudiados y existe una gran

disponibilidad de datos sobre los procesos.

4.1 Análisis Del Proceso

En este apartado se realizará una breve explicación del proceso productivo, algo necesario para poder

identificar las emisiones de calor residual que se pueden dar en una industria específica.

La fabricación del cemento industrialmente se basa en unos pasos muy concretos:

Obtención, Almacenamiento y preparación de materias primas

Cocción del crudo en un horno rotatorio para la obtención de clínker de cemento

Almacenamiento y preparación de combustibles

Molienda conjunta del clínker con diversos componentes para la obtención del cemento

Almacenamiento del cemento para su posterior salida

A continuación se detallará más cada uno de los puntos comentados.

4.1.1 Obtención de materias primas

Las materias primas para la fabricación de cemento se obtienen mediante minería, generalmente a cielo

abierto, de la extracción de caliza, marga y arcilla. Tambien se pueden emplear residuos o subproductos como

sustitutos parciales. Los más empleados en España son:

Escoria de alto horno

Cascarillas de hierro

Arenas de fundición

Lodos de papeleras


Cenizas volantes

Estas materias primas se llevan a la fábrica y se almacenan en silos para su posterior molienda.

La composición química homogénea del crudo y su granulometría es esencial para los posteriores procesos

que se producirán en el horno. Para controlar esto es vital la dosificación durante la molienda del crudo de las

materias primas. Esta parte también es muy importante para la eficiencia energética durante la molienda.

Dependiendo del proceso que siga la fabricación de cemento en la planta a analizar se usaran unos procesos de

molienda u otros.

Para la molienda en los sistemas de vía seca y semiseca los componentes de las materias primas se muelen y se

secan para obtener un polvo fino, haciendo uso principalmente de los gases de salida del horno o del aire de

salida del enfriador de clínker. Como sistemas más habituales tenemos:

Molino de bolas con descarga central

Molino de bolas con barrido por aire

Molino vertical de rodillos

Molino horizontal de rodillos

La granulometría del crudo se controla mediante ajustes en el separador.

Para la molienda en vía húmeda o semihúmeda los componentes de las materias primas se muelen junto con

agua para formar una pasta, usando circuitos cerrados de molienda para obtener las propiedades deseadas de la

pasta.

4.1.2 Almacenamiento y Preparación de combustibles:

Para el proceso se pueden emplear multitud de combustibles diferentes para proporcionar la energía térmica

necesaria en el proceso. La elección del combustible será una decisión basándose en la disponibilidad y

economía. Varios de los combustibles utilizados son:

Coque de petróleo o carbón pulverizado

Fuelóleo pesado

Gas natural

Residuos de otras industrias

Las cenizas de estos combustibles se combinan con las materias primas formando parte del clínker por lo que

hay que tenerlos en cuenta a la hora del cálculo de la composición del crudo.

El carbón y el coque de petróleo se almacenan, generalmente, en almacenes cubiertos. Cuando están

pulverizados es necesario tomar medidas para evitar el riesgo de ignición espontánea, para ello se almacenan

en silos con sistemas de inertizacion.

El fuelóleo se almacena en tanques de acero y es necesario elevar su temperatura para mejorar su fluidez a la

hora de ser bombeado.

CASO PRÁCTICO

34

El gas natural se suministra directamente a través de las redes de distribución y es necesario realizar un

precalentamiento del gas para evitar la congelación al reducir su presión hasta la presión de trabajo necesaria

para el equipo.

Una opción es la valorización de residuos provenientes de industrias ganaderas o agrícolas, de plantas de

depuración de aguas residuales, residuos de papel, etc. Esto es posible gracias a las altas temperaturas y

tiempos de permanencia de los gases en los hornos que ayuda a la destrucción de compuestos orgánicos.

4.1.3 Cocción Del Crudo

La química en la que se basa el proceso de fabricación comienza con la descomposición del carbonato cálcico

(CaCO3) a una temperatura cercana a los 900ºC dando óxido cálcico (CaO) y liberando dióxido de carbono

(CO2), proceso que se conoce como calcinación:

CaCO3 →CaO + CO2

El proceso continúa a temperaturas comprendidas entre 1400 y 1500ºC con la reacción del óxido de calcio con

sílice, alúmina y óxido de hierro, para formar silicatos, aluminatos y ferritos de calcio, que forman parte del

clínker.

Como ya se ha mencionado anteriormente existen cuatro procesos para la obtención de cemento:

Proceso seco: Las materias primas son trituradas y secadas para formar el crudo, que

posteriormente se alimenta a un horno con precalentador y precalcinador.

Proceso semiseco: La harina se peletiza y se alimenta un precalentador de parrilla delante del

horno o un horno largo equipado con cadenas

Proceso semihúmedo: La pasta de crudo se escurre usando filtros presa. Las tortas del filtro

son extruidas en forma de gránulos para alimentar posteriormente a un precalentador de

parrilla o a un secador de tortas de filtrado

Proceso húmedo: Con las materias primas se forma una pasta que es bombeada directamente

al horno o previamente a un secador de pasta.

Dado que en España prácticamente la totalidad, un 93%, de la producción de cemento se realiza a través del

proceso seco, nos centraremos en este tipo de instalaciones. En las instalaciones con proceso seco se usan

hornos rotatorios con precalentador y precalcinador.

El horno rotatorio consta de un tubo de acero con una relación de longitud: diámetro de entre 10:1 a 17:1, con

una inclinación de 2,5 a 4,5% y una velocidad de rotación que oscila entre 0,5 y 4,5 rpm. Estos equipos están

cubiertos en su interior por ladrillos refractarios con la finalidad de proteger el metal de las altas temperaturas.

En ocasiones se pueden producir obstrucciones transitorias dentro del horno lo que puede provocar que

aparezca material mal cocido.


La alimentación del combustible se puede realizar desde el quemador principal (mechero) situado en la parte

de salida del horno, a través de quemadores secundarios situados en la entrada del horno, a través de

quemadores del precalcinador o a través de la tolva de alimentación del precalcinador. Si se utiliza carbón

como combustible se puede introducir directamente con el aire del molino, lo que se denomina aire primario.

El fuelóleo se inyecta a través de una boquilla de atomización que ocuparía una posición central en el horno.

En los hornos con gas natural el gas reemplaza al aire primario.

El precalentador de suspensión es un intercambiador de calor de ciclones, en el que se consigue el

precalentamiento y la calcinación parcial del crudo seco. Esto se consigue manteniendo en suspensión el crudo

con los gases de salida del horno, que están a gran temperatura. Los gases de salida del horno fluyen a través

de los diferentes ciclones, en los que se separan el sólido del gas, en sentido ascendente, mientras que el sólido

va cayendo hasta el horno. Esta serie de procesos de mezclas y separaciones entre los sólidos y el fluido, cada

vez a mayor temperatura, permite una óptima transferencia entre el calor de los gases procedentes del horno y

la harina cruda. El número de ciclones, normalmente de cuatro a seis, se determinará por el estado de la

alimentación al proceso.

El uso de un precalcinador provoca que la quema del combustible se produzca en dos partes. La combustión

primaria se produce en la zona del mechero del horno y la secundaria en una cámara de combustión, llamada

precalcinador, que se sitúa entre el horno y el precalentador. En ésta cámara se puede llegar a consumir hasta

un 60% del combustible que se usa en el proceso. El sistema de horno con ciclones y precalcinador es la

tecnología típica que se usa en las fábricas de nueva construcción y suelen tener capacidades de entre 3000 y

5000 toneladas al día.

Tras el paso del crudo por el horno obtenemos clínker a una temperatura cercana a los 1450ºC. Es necesario

enfriar el clínker para poder almacenarlo, además un enfriamiento rápido es beneficioso para evitar reacciones

químicas indeseadas, y además es importante recuperar parte del calor del clínker por lo que se hace pasar al

producto por unos enfriadores.

En los enfriadores de parrilla se hace pasar una corriente de aire a través del clínker caliente usando

ventiladores. Parte de este aire se usa en la zona del quemador principal como aire secundario, otra parte se usa

en el precalcinador, es lo que se denomina aire terciario, en ciertas distribuciones parte de este caudal de aire

se usa para mejorar la molienda del molino de carbón, si se usa éste como combustible, y el sobrante es

enviado a un electrofiltro para su posterior vertido a la atmosfera.

De todo el proceso de cocción del crudo se obtienen dos efluentes principales de gases. Uno de los efluentes es

el gas de salida del horno que tras atravesar el sistema de precalentadores en suspensión se lleva hasta un

sistema de acondicionamiento mediante el cual se enfría, usando agua pulverizada, y se hace pasar por filtros

para posteriormente salir por la chimenea del horno. El segundo efluente de gases es el proveniente del

enfriador de clínker, que al igual que ocurre con la salida del horno, se hace pasar por un filtro para poder

emitir este efluente a la atmosfera.

CASO PRÁCTICO

36

4.1.4 Molienda y Almacenamiento De Componentes Del Cemento

Los distintos componentes del cemento se suelen almacenar en silos, naces cerradas o parques al aire libre.

Dependiendo del tipo de cemento que se quiera producir el clínker se molerá con diferentes adiciones. Para

esta molienda tiene gran importancia la molturabilidad, la humedad y la abrasión de los componentes.

Los sistemas de molienda más empleados son:

Molino de bolas en circuito cerrado

Molino vertical de rodillos

Prensa de rodillos

4.1.5 Almacenamiento Del Cemento

El cemento se almacena en silos y es transportado a través de sistemas mecánicos y neumáticos. El sistema

más utilizado es una combinación de transportadores fluidificados o de rosca y elevadores de cangilones. Para

el almacenamiento de los diferentes tipos de cemento se pueden usar diferentes silos o silos multicámaras lo

que permite almacenar más de un tipo de cemento en el mismo silo.

Ilustración 4.1Esquema de un Horno de Clínker


Ilustración 4.2Esquema Completo de la Producción de Cemento

CASO PRÁCTICO

38

4.2 Caracterización De Las Emisiones

Tras analizar el proceso de fabricación del cemento queda claro que el proceso con mayor potencial para

realizar un análisis sobre la recuperación de calo en él es el proceso de cocción del crudo para formar clínker

de cemento. Como se ha mencionado anteriormente de este proceso tenemos dos efluentes residuales que tras

pasar por sendos sistemas de filtrado son liberados a la atmósfera.

Para caracterizar las emisiones de un proceso se deben tomar medidas para determinar la temperatura, el

caudal y la composición principalmente, además de realizar un histórico para ver si existen grandes

fluctuaciones en las medidas. En el caso de este proyecto académico no se ha tenido la posibilidad de acceder a

información de las medidas realizadas en una fábrica de cemento en concreto por lo que se hará uso de la

extensa bibliografía acerca del proceso y se tomarán valores a partir de los datos que se puedan encontrar en

esta.

4.2.1 Salida Del Sistema De Ciclones

A la salida del sistema de ciclones nos encontraremos con un efluente pulverulento proveniente del horno de

clínker y cuya composición dependerá en gran medida del combustible usado en el horno. Como ya se ha

descrito anteriormente en los hornos de clínker se pueden usar multitud de combustibles y entre ellos residuos

provenientes de otros procesos industriales. Para este proyecto se tomarán datos de referencia para un horno de

clínker en el que se usa fuelóleo como combustible para estimar la composición del efluente. Para la

temperatura del efluente se tomará una horquilla de valores entre los que se mueve este valor en un proceso

típico.

Tabla 4.1Datos a la Salida del Sistema de Ciclones

Tª *K+ 553-723

Compuesto Kg/t Clínker % Peso

N2 1240 60,78

CO2 560 27,45

O2 200 9,80

H2O 40 1,96

Total 2040 100,00


4.2.2 Salida Del Enfriador De Clínker

El enfriador de clínker funciona haciendo pasar una corriente de aire atmosférico a través del clínker caliente y

como consecuencia se obtienen, como ya se ha comentado anteriormente, varias corrientes: aire secundario

para el horno, aire terciario para el precalcinador, aire para la molienda de carbón y un efluente gaseoso que

sale del proceso.

El efluente gaseoso que sale del enfriador de clínker es básicamente aire que al atravesar el clínker para

enfriarlo aumenta su temperatura y arrastra parte del clínker en su recorrido previo a su vertido a la atmósfera.

Para el estudio a realizar en este proyecto se hará la suposición de que la composición del aire no se altera

durante su contacto con el clínker caliente en el enfriador, por lo que se tomará como composición de este

efluente la composición del aire.

Para determinar la temperatura y caudal de este efluente se deberían tomar medidas en la planta en cuestión

durante un periodo prolongado atendiendo a la posible variabilidad de los parámetros. Ante la imposibilidad de

realizar esta acción en campo para este documento se tomarán los valores que, según la bibliografía,

corresponden a una planta típica de producción de cemento por vía seca y siguiendo el sistema comentado en

apartados anteriores. En la siguiente tabla se exponen los datos que se usarán.

Tabla 4.2 Datos a la Salida del Enfriador

Tª *K+ 523-603

Q *Nm3/t Clínker+ 1200

Compuesto % Volumen

N2 79

O2 21

4.3 Evaluación Técnica

Una vez conocidas y caracterizadas las corrientes que a priori tienen un mayor potencial para ser recuperadas

se deben plantear las alternativas para realizar dicha recuperación de calor.

En la industria del cemento el proceso con mayores requerimientos energéticos es sin duda la cocción del

crudo para producir el clínker de cemento. La industria de la producción de cemento tiene un largo recorrido y

ya se han realizado muchísimos avances para la eficiencia energética del proceso, un ejemplo de esto es el

sistema de ciclones precalentadores que ya se toma como parte fundamental en un proceso de producción por

vía seca, esta eficiencia energética conseguida en este proceso pone de manifiesto que el uso de una tecnología

de recuperación pasiva sería ineficaz a la hora de aumentar el rendimiento energético en el proceso de cocción.

CASO PRÁCTICO

40

La demanda de calor a baja temperatura de este tipo de industrias no es excesiva por lo que la recuperación del

calor de las corrientes implicadas para aportar calor a otros procesos o para la producción de agua caliente y/o

vapor a baja presión no parece buena opción para la recuperación de calor.

La mejor opción para una posible recuperación de calor en las corrientes de salida parece un sistema activo de

recuperación de calor para producir electricidad y reducir el consumo exterior de la planta de este recurso.

Entre las tecnologías aplicables para la producción de electricidad a partir del calor residual del proceso más

viable parece el uso de un ciclo Rankine orgánico, debido a que las temperaturas de salida de gases en las

corrientes no son suficientemente altas como para que un ciclo Rankine convencional tenga una eficacia

considerable.

4.3.1 Descripción De La Instalación

Para comenzar a hacer un prediseño de la instalación para llevar a cabo la recuperación de calor uno de los

primeros pasos es determinar de qué forma se va a recuperar ese calor. En los sistemas de cogeneración

basados en un ORC como ciclo de cola existen dos posibilidades en el esquema para la recuperación de calor:

recuperar directamente sobre el fluido de trabajo del ciclo o llevar a cabo la recuperación de calor sobre un

fluido caloportador.

En el caso de realizar la recuperación directamente sobre el fluido de trabajo del ciclo lo ideal sería poder

situar la instalación de cogeneración lo más cercana posible al punto de la instalación por donde circula el

efluente a recuperar. Como ventaja se tiene un menor coste tanto de inversión como operativo, pero hay cierto

riesgo en que el fluido de trabajo se pueda degradar por un posible aumento brusco de la temperatura en el

efluente.

La recuperación mediante el uso de un fluido intermedio, generalmente se usa un aceite térmico, da la

posibilidad de situar el equipo de cogeneración con mayor libertad dentro de la planta y de realizar la

extracción en una o más corrientes simultáneamente.

En el caso de este estudio se optará por utilizar un fluido intermedio para la recuperación de calor de los

efluentes, de modo que sea posible el uso de un solo sistema de ORC para la recuperación de calor en ambos

efluentes.

Teniendo esta elección en cuenta la instalación consistirá en un sistema de recuperación primario, que

recuperara energía térmica de los efluentes analizados para cederla al fluido caloportador, un sistema de

tuberías, mediante el cual discurra el fluido caloportador hasta el sistema ORC, y el ciclo cerrado ORC.

4.3.2 Cálculo de la Energía a Recuperar

Un cálculo totalmente necesario para el análisis es el de la potencia calorífica que puede ser recuperada de las

corrientes. Para el cálculo de estas potencias se tomará un valor de temperatura de los efluentes del proceso

que sea la media aritmética entre los valores que nos aporta la bibliografía, 365ºC en el caso de la corriente de

salida del sistema de ciclones y 290ºC en el caso de la salida del enfriador de clínker.


Dado que los datos de estas corrientes están en base a las toneladas de clínker que se generan en el proceso se

opta por fijar una hipotética producción de 3000 toneladas de clínker por día para realizar los cálculos.

La potencia calorífica que se puede extraer de la corriente vendrá dada por la siguiente expresión:

�̇� = �̇� ∫ 𝐶𝑝 𝑑𝑇𝑇𝑒

𝑇𝑠

Dónde:

�̇�: Flujo másico de la corriente

𝐶𝑝: Calor específico de la corriente

Te: Temperatura de entrada

Ts: Temperatura de salida

Realizando los cálculos, que se detallan en los anexos, se obtienen dos tablas de valores, una para cada

corriente, en las que se puede apreciar la energía potencialmente recuperable.

Tabla 4.3 Potencia Recuperable A La Salida De Ciclones

Corriente de Salida de Ciclones

Tª Salida kW

Recuperados

50 23477

70 22015

90 20549

110 19079

130 17606

150 16128

170 14647

190 13162

210 11673

230 10180

250 8683

270 7182

CASO PRÁCTICO

42

Tabla 4.4 Potencia Recuperable A La Salida Del Enfriador

Corriente de Salida del Enfriador

Tª Salida kW Recuperados

50 13410

70 12304

90 11195

110 10085

130 8972

150 7858

170 6741

190 5622

210 4502

230 3379

250 2255

270 1128

4.3.3 Selección Del Aceite Térmico

El aceite térmico será el fluido encargado de recuperar el calor directamente del proceso de fabricación de

cemento. Este tipo de fluidos deben cumplir con ciertas características específicas para realizar la función de

transporte de energía térmica con eficiencia y a bajo coste, tanto de inversión como de funcionamiento.

Algunas de estas características son: poseer buenas propiedades de transferencia de calor, tener gran

estabilidad térmica para funcionar durante largos periodos, baja viscosidad y temperatura de solidificación,

baja corrosión y ser seguros, tanto para el personal de planta como para los equipos, en caso de fugas.

Este tipo de fluidos puede clasificarse en tres grandes grupos según su estructura química:

Aceites sintéticos

Aceites minerales

Otros, incluyendo siliconas

Los aceites sintéticos consisten en estructuras basadas en el benceno. El rango de temperatura de

funcionamiento de este tipo de fluidos puede ir desde los -20ºC hasta los 400ºC.

Si el aceite proviene del refino de petróleo se denomina mineral. La base de estos compuestos se obtiene

directamente de la destilación de crudo y en su mayoría están formados por compuestos parafínicos y

nafténicos. A esta base de hidrocarburos se le añaden aditivos para mejorar sus prestaciones técnicas. La

temperatura de operación de este tipo de fluidos va desde los -10ºC hasta los 315ºC.


Los fluidos a base de silicona y los híbridos de glicol se usan casi de forma exclusiva para procesos que

requieren compatibilidad proceso/producto, ya que presentan grandes desventajas en rendimiento y costes en

comparativa con los fluidos minerales o sintéticos.

Como criterios principales para seleccionar un fluido de este tipo se podrían destacar cinco:

Estabilidad térmica: Es lo que determina la capacidad del fluido para trabajar a una elevada

temperatura sin que el estrés térmico afecte a sus propiedades. El fabricante aportará, junto

con el resto de parámetros del fluido, una temperatura máxima de funcionamiento. Trabajar

por encima de esta temperatura aumentara la degradación del fluido afectando directamente a

sus propiedades. Por lo que esta temperatura máxima de funcionamiento será un dato

importante a la hora de seleccionar el fluido.

Eficiencia de transferencia de calor: A mayor eficiencia de transferencia de calor se alcanzará

de manera más rápida la temperatura de servicio que requiere el proceso. Esta característica

se compara usando coeficientes de transferencia de calor, y en el caso de los diferentes tipos

de fluidos térmicos pueden diferir hasta en un 25% a una temperatura dada. Hay que tener en

consideración que la degradación del fluido afectará a este parámetro.

Temperatura mínima de bombeo: Es la temperatura mínima a la que el fluido adquiere una

viscosidad tal, 2000cP generalmente, en el que una bomba centrífuga no puede hacer circular

el fluido. Esta temperatura no se alcanzaría en regímenes normales de trabajo pero puede

causar problemas en caso de paradas, ya sean paradas de emergencia o por mantenimiento.

La mayoría de aceites térmicos minerales tienen temperaturas mínimas del orden de -20ºC a -

5ºC. Los fluidos sintéticos para altas con altas temperaturas de servicio pueden tener valores

de entre 5ºC y 15ºC para este parámetro. Para procesos que podrían tener problemas debido a

la temperatura mínima de bombeo se dispondrán tuberías con trazado de aporte de calor.

Medioambiente: Los requisitos medioambientales y la seguridad del personal es un criterio

necesario a tener en cuenta a la hora de seleccionar un fluido.

Coste: Como normal general la temperatura máxima de utilización del fluido marca

enormemente el precio de éste, por lo que un fluido con una temperatura máxima de trabajo

alta encarecerá el coste global.

Teniendo en cuenta los rangos de temperatura entre los que se mueven las corrientes a recuperar se puede

hacer una elección del fluido térmico que se usaría en una instalación de este tipo con los parámetros descritos.

Para esta selección se ha tomado el catálogo de fluidos de transferencia de calor de la empresa DOW y se ha

seleccionado un fluido, el dowtherm A, que cumple con las temperaturas necesarias para el proceso.

4.3.4 Sistema de recuperación de calor primario

La recuperación primaria de calor se hace sobre el aceite térmico, esto da la posibilidad de ubicar el ciclo ORC

en cualquier parte de la industria y realizar la recuperación de energía térmica en varios puntos usando

únicamente un sistema ORC, además de evitar el deterioro del fluido de trabajo del ciclo ORC debido a

cambios bruscos de temperatura en la salida de gases. Como desventaja presenta un mayor coste con respecto

a la recuperación directa sobre el fluido de trabajo del ciclo.

Los recuperadores se situarán en la salida del sistema de ciclones y a la salida del sistema del enfriador de

clínker, aguas arriba de los filtros en cada una de las corrientes mencionadas y trazando un by-pass, que

CASO PRÁCTICO

44

posibilite minimizar problemas por un posible mal funcionamiento en el equipo o para labores de

mantenimiento.

La naturaleza pulverulenta de los fluidos hace indispensable un sistema de limpieza automatizado en el equipo

para evitar acumulaciones de polvo en la superficie de transferencia. El material de los tubos que componen el

equipo debe estar seleccionado para minimizar la adhesión de polvo y evitar la corrosión y abrasión que pueda

causar el fluido.

El flujo de gases deberá ser horizontal, para favorecer la máxima precipitación de sólidos, y el banco de tubos

se dispondrá en posición vertical, reduciendo el espaciado entre los tubos al final del equipo, con el fin de

mantener unas condiciones óptimas de transferencia de calor.

En la parte baja del equipo se dispondrá de una tolva para la recogida de polvo, de tal modo que se pueda

retirar este polvo con el sistema en servicio.

Partiendo de los datos que nos proporciona la empresa fabricante del ciclo ORC y fijando la temperatura de

salida, a la salida del recuperador, de las corrientes residuales en las que se quiere realizar la recuperación de

calor en 150ºC, se pueden representar los diagramas T-H de los dos equipos.

Salida de ciclones:

Ilustración 4.3 Gráfico T-H En El Recuperador A La Salida Del Sistema De Ciclones


Dónde:

Tgas,e: Temperatura del gas a la entrada, 365ºC

Tgas,s: Temperatura del gas a la salida, este valor lo fijamos en 150ªc

Tace,e: Temperatura del aceite térmico a la entrada del recuperador, 120ºC

Tace,s: : Temperatura del aceite térmico a la salida del recuperador, 270ºC

Con estos datos en el recuperador primario tenemos un pinch de 30ºC, lo que se puede considerar un valor

normal, y una energía recuperada de 16128Kw.

Salida enfriador:

Dónde:

Tgas,e: Temperatura del gas a la entrada, 290ºC

Tgas,s: Temperatura del gas a la salida, este valor lo fijamos en 150ªc

Tace,e: Temperatura del aceite térmico a la entrada del recuperador, 120ºC

Tace,s: : Temperatura del aceite térmico a la salida del recuperador, 270ºC

Con estos datos en el recuperador primario tenemos un pinch de 20ºC y una energía recuperada de 7858Kw.

Ilustración 4.4 Gráfico T-H En El Recuperador A La Salida Del Enfriador

CASO PRÁCTICO

46

4.3.5 Simulacion De La Instalacion

Para determinar la potencia que se podría extraer con un sistema de recuperación de calor de este tipo en una

instalacion con las características descritas se opta en primer lugar por realizar una simulacion con el programa

HYSYS de la instalación, fijando como punto de partida las corrientes residuales. La simulación tendrá en

cuenta la recuperación en las dos corrientes.

Como primer paso se realiza la selección del fluido de trabajo a utilizar en el ciclo. Algunos ejemplos de

fluidos orgánicos usados en ciclos de este tipo se encuentran en la tabla 4.5:

Tabla 4.5Fluidos Orgánicos Para Ciclo ORC

Fluido Tc [K] Pc [Bar] T autoignición P condensación [Bar] Tipo de Fluido

n-Butano 152 38 405 3,792 Seco

n-Octano 296,2 25 220 0,0412 Seco

Isopentano 187,2 34 420 1,513 Seco

Isobutano 134,7 36 460 5,309 Seco

Para realizar la simulación se va a optar por simular un ciclo regenerativo subcrítico usando como fluido de

trabajo el isopentano. El isopentano es un fluido que se comporta como fluido seco, es decir tiene una curva de

saturación en el diagrama T-s positiva, y se adapta bien a las condiciones de nuestro foco caliente.

Se impondrá una pérdida de carga en los intercambiadores de 34 kPa (5 Psi), se seleccionarán

intercambiadores de flujos cruzados y una temperatura mínima de acercamiento de 10ºC. Se fijará la presión

de entrada al evaporador en 2 Bar y la presion de impulsión de la bomba es 25 Bar. La temperatura de entrada

a la turbina se establecerá en 200ºC. Los rendimientos de la turbina y de la bomba se fijan en 85% y 75%

respectivamente.

Para la simulación se selecciona el modelo de Peng-Robinson, que se ajusta a las necesidades de la simulación.

El aceite térmico se modela a partir de los datos aportados por el fabricante, que serán anexados a este

documento, usando la opción que nos da el programa de simulación HYSYS como se ve en la ilustración 4.5.


Ilustración 4.5Modelado Del Aceite Térmico En HYSYS

Las tablas referentes a los datos de las corrientes obtenidas de la simulacion se anexan al documento. El

circuito simulado se muestra en la ilustración 4.6.

Se puede observar que el calor cedido en el recuperador que actua como evaporador en el ciclo ORC son

24003 kW y la potencia que conseguimos en la turbina son 4775 kW. Tomando el valor de la potencia

necesaria para la bomba que son 286 kW podemos realizar el cálculo del rendimiento del ciclo.

𝜂 =𝑊𝑇𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 − 𝑊𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎

𝑄𝐴𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑑𝑜=

4775 − 286

24003= 0.187

Este valor entra dentro de la horquilla de rendimientos que suelen aportar los fabricantes de este tipo de ciclos,

aunque aún es susceptible de ser optimizado para aumentar su rendimiento. En el caso del presente proyecto se

optará por invertir en un ciclo ORC modular de un suministrador con experiencia en el campo.

CASO PRÁCTICO

48

Ilustración 4.6Circuito Simulado En HYSYS


4.3.6 Sistema de Generación ORC

El ciclo de Rankine orgánico que se valorará será un ciclo modular proveniente de la empresa turboden, al ser

una empresa que ya ha realizado proyectos similares aporta confianza para la elección de este tipo de sistemas.

El equipo de generación se comercializa en patines que contienen todo lo necesario para el funcionamiento del

ciclo. El mantenimiento oscila entre 7500€ y 40000€ al año, necesitando paradas de 4 días al año

aproximadamente para llevarlo a cabo. El ciclo ORC que se suministra incluye:

Precalentador (Aceite térmico/Fluido de trabajo): Intercambiador de calor de placasa e acero soldadas

mediante laser.

Regenerador (Fluido de trabajo/Vapor de fluido de trabajo) : Intercambiador de tubo y aleta.

Intercambiador (Aceite térmico/Fluido de trabajo): Intercambiador sistema tipo SPLIT.

Evaporador (Aceite térmico/ Fluido de trabajo): Intercambiador carcasa-tubo.

Condensador (Fluido de trabajo/Agua) :Intercambiador de carcasa-tubo.

Tuberías y válvulas de regulación.

Bomba para fluido de trabajo.

Generador eléctrico asíncrono.

Turbina y elementos auxiliares

PC para monitorizar y supervisar el sistema.

Fluido orgánico de trabajo.

Si optamos por la recuperación de la corriente del enfriador de clínker se podrían recuperar 7858kw de energía

térmica, de los cuales con un equipo del catálogo que se tiene del fabricante se podría tener una producción

eléctrica de hasta 1650kwe.

La recuperación de la corriente de salida de los ciclones aportaría 16128kw de energía térmica que, según los

datos del fabricante, podría generar, de forma neta, hasta 3226kwe

La última opción es la recuperación en ambas corrientes por lo que tendríamos una potencia recuperada

combinación de las anteriores y que sería de 23986kw. De esta potencia térmica se podría aprovechar

aproximadamente el 20% por lo que se tendría una producción energética neta de 4797 kWe.

CASO PRÁCTICO

50

4.4 Evaluación Económica

El objetivo principal de la evaluación económica de la instalación de una tecnología de recuperación de calor

en una industria determinada es cuantificar la rentabilidad, los beneficios que puede aportar, del proyecto.

La base para realizar esta evaluación consiste en determinar el ahorro que supondría la instalación para la

recuperación de energía, considerando los flujos de dinero desde la adquisición e instalación de los equipos,

contabilizados como inversión inicial, los costes de operación, mantenimiento, etc.

Un dato fundamental para la evaluación económica de una instalación de este tipo es la inversión inicial que

habría que realizar, estos valores son tomados de un proyecto de similares características en el que se usa una

instalación que produce 4MWe por lo que los valores de este apartado pueden variar según el tamaño de la

instalación y con el fin de ser lo más fiable posible se opta por hacer la evaluación económica en el caso de

recuperar calor de las dos corrientes disponibles.

Los costes asociados a un proyecto de este tipo serían los siguientes:

Coste de equipos e instalación: 1061 €/kWe

Consumo eléctrico: 137.5 kWh/t Clínker

Precio medio electricidad (2017): 0.083 €/kWh

Coste mantenimiento: 30000€/año

Encarecimiento mantenimiento: 2,5%/año

Encarecimiento de la electricidad: 3%/año

Impuestos: 36%

Vida útil: 10 años

Consumo ciclo ORC: 240 kW

Con estos datos se puede determinar el pay-back, el VAN y el TIR de la instalación. Se consideran dos

escenarios: el primero para una producción cercana a las que suele haber en España, 500000 toneladas de

clínker al año y el segundo escenario considerariamos una producción máxima durante 11 meses al año, lo que

serían 1005000 toneladas al año.


Añ

o

01

23

45

67

89

10

Inve

rsion

Inicial

-5089617

Ah

orro

Eléctrico

15926041640382,12

1689593,581740281,39

1792489,831846264,53

1901652,461958702,04

2017463,12077986,99

Man

ten

imie

nto

-30000-30750

-31518,75-32306,7188

-33114,3867-33942,2464

-34790,8025-35660,5726

-36552,0869-37465,8891

Co

nsu

mo

OR

C-79681

-79681,03-79681,0609

-79681,0927-79681,1255

-79681,1593-79681,1941

-79681,2299-79681,2668

-79681,3048

Am

ortizació

n-508961,7

-508961,7-508961,7

-508961,7-508961,7

-508961,7-508961,7

-508961,7-508961,7

-508961,7

Re

sultad

o b

ruto

973961,31020989,39

1069432,071119331,88

1170732,621223679,42

1278218,771334398,54

1392268,051451878,1

Imp

ue

stos

350626,068367556,18

384995,546402959,477

421463,743440524,592

460158,756480383,473

501216,496522676,115

Re

sultad

o tras

imp

ue

stos

623335,232653433,21

684436,527716372,403

749268,877783154,83

818060,011854015,062

891051,549929201,983

Flujo

de

Caja

-5089617623335,232

653433,21684436,527

716372,403749268,877

783154,83818060,011

854015,062891051,549

929201,983

Flujo

de

Caja

Acu

mu

lado

-5089617-4466281,768

-3812848,56-3128412,03

-2412039,63-1662770,75

-879615,922-61555,9106

792459,1521683510,7

2612712,68

VA

N (TA

SA 7%

)

TIR

Pay-B

ack

188.485,18 €

Po

ten

cia Instalació

n[kW

e]

8%

8 Añ

os

Pro

du

cción

500kt clínke

r /año

4797

Re

cup

eracio

n e

n las d

os lín

eas

Tab

la 4.6

Cálcu

los E

conóm

icos P

ara Una P

roducció

n D

e 500000 T

onelad

as Al A

ño

CASO PRÁCTICO

52

Añ

o

01

23

45

67

89

10

Inve

rsion

Inicial

-5089617

Ah

orro

Eléctrico

3201134,043297168,06

3396083,13497965,6

3602904,563710991,7

3822321,453936991,1

4055100,834176753,85

Man

ten

imie

nto

-30000-30750

-31518,75-32306,7188

-33114,3867-33942,2464

-34790,8025-35660,5726

-36552,0869-37465,8891

Co

nsu

mo

OR

C-160157,8

-79681,03-79681,0609

-79681,0927-79681,1255

-79681,1593-79681,1941

-79681,2299-79681,2668

-79681,3048

Am

ortizació

n-508961,7

-508961,7-508961,7

-508961,7-508961,7

-508961,7-508961,7

-508961,7-508961,7

-508961,7

Re

sultad

o b

ruto

2502014,542677775,33

2775921,592877016,08

2981147,353088406,6

3198887,763312687,59

3429905,773550644,96

Imp

ue

stos

900725,2344963999,119

999331,7731035725,79

1073213,051111826,37

1151599,591192567,53

1234766,081278232,19

Re

sultad

o tras

imp

ue

stos

1601289,3061713776,21

1776589,821841290,29

1907934,311976580,22

2047288,162120120,06

2195139,72272412,77

Flujo

de

Caja

-50896171601289,306

1713776,211776589,82

1841290,291907934,31

1976580,222047288,16

2120120,062195139,7

2272412,77

Flujo

de

Caja

Acu

mu

lado

-5089617-3488327,694

-1774551,482038,33654

1843328,633751262,94

5727843,167775131,32

9895251,3812090391,1

14362803,8

VA

N (TA

SA 7%

)

TIR

Pay-B

ack

8.294.208,60 €

33%

3 Añ

os

Pro

du

cción

1000kt clínke

r /año

Po

ten

cia Instalació

n[kW

e]

4797

Re

cup

eracio

n e

n las d

os lín

eas

Tab

la 4.7

Eco

nóm

icos P

ara Una P

roducció

n D

e 1005000 T

onelad

as Al A

ño


Se puede observar en las tablas que para una producción de 500000 toneladas de clínker al año la inversión en

una instalación de este tipo se recupera al octavo año de realizar la inversion inicial, esto supone el 80% de la

vida útil que se ha estimado en este proyecto para la instalación. Con una tasa del 7% obtenemos un VAN de

188485, 18 € y un TIR del 8% lo que nos demuestra que sería una inversión factible pero habría que

considerar si ofrece una mejora de competitividad a la empresa tal que merezca el riesgo de la inversión.

Para el caso en el que la producción de clínker es de 1005000 toneladas al año el tiempo estimado para

recuperar la inversión es de 3 años, un periodo corto teniendo en cuenta la vida útil de la instalación. Se

obtiene, además un VAN de 8294208.60€ y un tir de un 33% lo que deja patente que es una inversión que

sería idónea si se dispone de la capacidad financiera para abordarla.

Comparando los dos casos se comprueba como la viabilidad de este tipo de proyectos de recuperación de calor

esta muy condicionado a la producción del producto y por consiguiente al mercado asociado a ello. Es por

tanto necesario realizar un estudio sobre la evolución del mercado del cemento para poder tomar una decisión

bien fundamentada.

CONCLUSIONES

54

5 CONCLUSIONES

En este proyecto se han presentado algunas de las alternativas tecnológicas para la recuperación de calor en la

industria, con el fin de llevar a cabo un análisis del potencial que tiene una industria en concreto para usar una

de éstas tecnologías para recuperar parte de la energía térmica que no aprovecha.

Se ha presentado una forma de abordar el análisis del potencial de recuperación de calor en la industria, con el

cual, basándose en datos obtenidos de la industria, se puede hacer una selección de la tecnología de

recuperación adecuada para el proceso y aplicar una evaluación técnica y económica.

Tomando como referencia la industria cementera se han seguido los pasos para llevar a cabo el análisis del

potencial de recuperación de calor que se han plasmado en el proyecto. Se ha realizado una visión global del

proceso de la producción de cemento y se ha llegado a la conclusión que la mejor tecnología aplicable para la

recuperación de calor en la industria cementera es el uso de un ciclo de cogeneración de cola, en el caso de este

proyecto un ciclo orgánico de Rankine.

Con los datos disponibles se han analizado dos posibles corrientes en las que realizar la recuperación

describiendo su potencia a recuperar y la tecnología aplicada para ello, que consistiría en una recuperación

primaria de calor desde los efluentes hasta un aceite térmico y posteriormente el intercambio de calor entre

este aceite térmico y un ciclo ORC, realizando además una simulación de la instalación usando el software

HYSYS en la que se compueba la potencia generada por un posible ciclo ORC.

Los sistemas ORC modulares seleccionados tendrían una eficiencia eléctrica neta del 20% aproximadamente

generando alrededor del 30% de la energía eléctrica necesaria para el proceso, lo que supone un gran beneficio

económico.

Calculando el periodo de recuperación de la inversión del proceso se ha podido determinar que para grandes

producciones de clínker de cemento la inversión se hace prácticamente necesaria teniendo una tasa de

recuperación de la inversión mínima, mientras que para plantas con producciones más cercanas a la media de

las instalaciones españolas esta tasa de recuperación de la inversión aumenta hasta los 8 años, teniendo en

cuenta que la vida útil de este tipo de instalaciones puede llegar a los 20 años, sigue siendo una inversión muy

a tener en cuenta.

CONCLUSIONES

56

BIBLIOGRAFIA

1. Goswami, D. Y., & Kreith, F. (2007). Handbook of Energy Efficiency and Renewable Energy.

Boca Raton: CRC Press.

2. Elías Castells, X., & E-libro, C. (2012). Tratamiento y valorización energética de residuos.

Madrid: Ediciones Díaz de Santos.

3. Sarah Brückner, Selina Liu, Laia Miró, Michael Radspieler, Luisa F. Cabeza, Eberhard

Lävemann, Industrial waste heat recovery technologies: An economic analysis of heat

transformation technologies, Applied Energy, Volume 151, (2015), Pages 157-167,

4. Shah, R. K., Mueller, A. C. and Sekulic, D. P. (2015). Heat Exchangers, 1. Fundamentals and

General Design Methodology. In Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, (Ed.).

doi:10.1002/14356007.b03_02.pub2

5. http://files.pfernandezdiez.es/CentralesTermicas/PDFs/30CT.pdf

6. E Macchi, M Astolfi. (2016) Organic Rankine Cycle (ORC) Power Systems: Technologies and

Applications. Elsevier Science.

7. Waste Heat Recovery for the Cement Sector:Market and Supplier Analysis (2014).

8. Sanjuán, Barbudo, Miguel Ángel, and Yepes, Servando Chinchón. Introducción a la fabricación

y normalización del cemento Portland, Publicacions Universitat Alacant, 2004.

9. José Ignacio Linares Hurtado (Doctor Ingeniero Industrial del ICAI. Profesor Propio Ordinario

en el ICAI,)” Valorización de calores residuales en aplicaciones industriales mediante ciclos de

cola con tecnología ORC”. Anales [en línea], Nº21

10. Tamme, R. , Bauer, T. and Hahne, E. (2009). Heat Storage Media. In Ullmann's Encyclopedia of

Industrial Chemistry, (Ed.). doi:10.1002/14356007.a12_b30.pub2

https://doi--org.us.debiblio.com/10.1002/14356007.b03_02.pub2

http://files.pfernandezdiez.es/CentralesTermicas/PDFs/30CT.pdf

https://doi--org.us.debiblio.com/10.1002/14356007.a12_b30.pub2


ANEXO A.1

Cálculo de la Potencia Calorífica en la Corriente del Enfriador

Para calcular la potencia calorífica que se puede extraer de la corriente de salida de enfriadores tenemos los

siguientes datos de partida:

Tª *K+ 523-603

Q *Nm3/t Clínker+ 1200

Compuesto % Volumen

N2 79

O2 21

Para el cálculo se toma una temperatura media entre los valores de los que se dispone, es decir, 290ºC (563K),

y se supondrá una producción media de 3000 toneladas de clínker por día.

En primer lugar calculamos cual sería nuestro caudal volumétrico por segundo en condiciones normales:

𝑄𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 =1200𝑁𝑚3

𝑡𝐶𝑙í𝑛𝑘𝑒𝑟

3000𝑡𝐶𝑙í𝑛𝑘𝑒𝑟

𝑑í𝑎

1 𝑑í𝑎

24ℎ

1 ℎ

3600𝑠= 41.67

𝑁𝑚3

𝑠

El siguiente paso es transformar este caudal volumétrico en los caudales másicos de los distintos componentes:

�̇�𝑂2 =41.67𝑁𝑚3

𝑠

0.21𝑁𝑚𝑂23

𝑁𝑚3

32 𝑘𝑔𝑂2

𝑘𝑚𝑜𝑙𝑂2

1 𝑘𝑚𝑜𝑙𝑂2

22.4𝑁𝑚𝑂23 = 12.51

𝑘𝑔𝑂2

𝑠

�̇�𝑁2 =41.67𝑁𝑚3

𝑠

0.79𝑁𝑚𝑁23

𝑁𝑚3

28 𝑘𝑔𝑁2

𝑘𝑚𝑜𝑙𝑁2

1 𝑘𝑚𝑜𝑙𝑁2

22.4𝑁𝑚𝑁23 = 41.17

𝑘𝑔𝑁2

𝑠

CONCLUSIONES

58

Los calores específicos en función de la temperatura, el valor de ésta deberá estar en K, se obtienen de tablas y

serían los siguientes:

𝑂𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 → 𝐶𝑝𝑂2 = 0.9203 + 0.0001065 𝑇

𝑁𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜 → 𝐶𝑝𝑁2 = 1.024 + 0.00008855 𝑇

Siendo el calor extraíble de la corriente:

�̇�𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = �̇�𝑂2 ∫ 𝐶𝑝𝑂2 𝑑𝑇𝑇𝑒

𝑇𝑠

+ �̇�𝑁2 ∫ 𝐶𝑝𝑁2 𝑑𝑇𝑇𝑒

𝑇𝑠

Sustituyendo los valores de todos los parámetros de la ecuación e integrando se puede hacer una tabla de

valores de calor recuperables según la temperatura a la que salga del recuperador de calor la corriente en

cuestión y usando como temperatura de entrada 290ºC:

Tª Salida kW

Recuperados

50 13410

70 12304

90 11195

110 10085

130 8972

150 7858

170 6741

190 5622

210 4502

230 3379

250 2255

270 1128


ANEXO A.2

Cálculo de la Potencia Calorífica en la Corriente de Salida del Sistema de Ciclones

Los datos de partida para este cálculo son los siguientes:

Tª *K+ 553-723

Compuesto Kg/t Clínker % Peso

N2 1240 60,78

CO2 560 27,45

O2 200 9,80

H2O 40 1,96

Total 2040 100,00

En este caso se volverá a tomar una temperatura media entre las dos temperaturas que se tienen como datos,

365ºC (638K), y se supondrá una producción media de 3000 toneladas de clínker al día.

Haciendo uso de estos datos se determina el caudal másico de los compuestos en la corriente siguiendo la

siguiente fórmula:

�̇�𝑖 =𝑘𝑔𝑖

𝑡𝑐𝑙𝑖𝑛𝑘𝑒𝑟

3000𝑡𝐶𝑙í𝑛𝑘𝑒𝑟

𝑑í𝑎

1 𝑑í𝑎

24ℎ

1 ℎ

3600𝑠

Realizando los cálculos obtenemos la siguiente tabla:

CONCLUSIONES

60

Compuesto kg/t Clínker kg/s

N2 1240 43,06

CO2 560 19,44

O2 200 6,94

H2O 40 1,39

Los calores específicos en función de la temperatura serían los siguientes:

𝑂𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 → 𝐶𝑝𝑂2 = 0.9203 + 0.0001065 𝑇

𝑁𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜 → 𝐶𝑝𝑁2 = 1.024 + 0.00008855 𝑇

𝐷𝑖ó𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 → 𝐶𝑝𝐶𝑂2 = 0.8654 + 0.0002443 𝑇

𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝐴𝑔𝑢𝑎 → 𝐶𝑝𝐻2𝑂 = 1.833 + 0.0003111 𝑇

Siendo el calor extraíble de la corriente:

�̇�𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = �̇�𝑂2 ∫ 𝐶𝑝𝑂2 𝑑𝑇𝑇𝑒

𝑇𝑠

+ �̇�𝑁2 ∫ 𝐶𝑝𝑁2 𝑑𝑇𝑇𝑒

𝑇𝑠

+ �̇�𝐶𝑂2 ∫ 𝐶𝑝𝐶𝑂2 𝑑𝑇𝑇𝑒

𝑇𝑠

+ �̇�𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝐴𝑔𝑢𝑎 ∫ 𝐶𝑝𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑇𝑇𝑒

𝑇𝑠

Realizando el cálculo pertinente, usando como temperatura de entrada del fluido 365ºC, se obtiene una tabla

de los valores de la potencia recuperable en la corriente según la temperatura de salida en el recuperador:

Tª Salida kW

Recuperados

50 23477

70 22015

90 20549

110 19079

130 17606

150 16128

170 14647

190 13162


210 11673

230 10180

250 8683

270 7182

CONCLUSIONES

62

ANEXO A.3

En este anexo se incluyen los usados provenientes de empresas externas para la realización del presente

proyecto.

Tabla 5.1Tabla De Propiedades Aceite Térmico Dowtherma


Tab

la 5.2

Tab

la Dato

s Ciclo

s OR

C T

urb

oden

CONCLUSIONES

64

ANEXO A.4

En el siguiente anexo se detallan todo los valores introducidos y obtenidos en la simulación del proceso con

HYSYS, además del circuito usado para la simulación.

Tabla 5.3Composicion De Las Corrientes En La Simulación

Tabla 5.4Propiedades De Las Corrientes En La Simulación


Ilustración 5.1Perfil De Corrientes En El Recuperador Del Ciclo

ORC

Ilustración 5.2Perfil De Corrientes En El Regenerador Del Ciclo

ORC

Ilustración 5.3perfil De Corrientes En El

Condensador Del Ciclo ORC

CONCLUSIONES

66

proyecto fin de carrera - servidor de la biblioteca de...

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