Retos y oportunidades en eficiencia energética y energías renovables frente a los tratados

de libre comercio

CARLOS ANTONIO ÁLVAREZ DIAZ

Bogotá D.C., Noviembre 23 de 2011

Aplicaciones del Gas Natural

Mejoras en la eficiencia del calentamiento de agua

Diego Chinchilla Torres

Ingeniero Mecánico

GRANDES CLIENTES

NOVIEMBRE 2011

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1. Conceptos Generales

• Combustión

• Transferencia de calor

• Calor

2. Calentamiento Directo

3. Aplicación Combustión sumergida

4. Proyecto Ejemplo

4

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Conceptos Generales

Combustión

Que es La combustión?

Es una rápida reacción

química de un combustible

con oxigeno que resulta en

una la producción de calor

y usualmente una llama

visible.

Fuente de Ignición

Oxígeno Combustible

Con aire y combustible en la proporciones correctas, la combustión perfecta es alcanzada (reacción completa).

CH4 + 2O2 + N2 + chispa >> CO2 + 2H2O + N2 + calor

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Conceptos Generales

Combustión

Cuando un combustible y el aire son

combinados en la reacción de

combustión, el calor liberado tiene

varias funciones.

Calentar la reacción (llama),

Enviar radiación a los alrededores,

Calentar el medio circundante por

contacto

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Conceptos Generales

Transferencia de Calor

Transferencia de Calor, proceso por el que se intercambia energía en

forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un

mismo cuerpo que están a distinta temperatura.

Conducción – Cuando la energía termal se transmite a través del

material, Ecuación Básica, H = k A (T1-T2) / (L)

Convección – La energía termal se transmite de un medio a otro.

Ecuación Básica H = h A (T1 – T2)

Radiación – La energía termal se transmite por ondas electromagneticas,

usualmente luz

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Conceptos Generales

Transferencia de calor

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Conceptos Generales

El Calor en los materiales

El calor específico, se define como la

cantidad de calor que hay que suministrar a la

unidad de masa de una sustancia o sistema

termodinámico para elevar su temperatura en

una unidad (kelvin o grado Celsius).

Ejemplo de cálculo Calor requerido (dT=75°C):

Energía requerida para calentar el volumen de agua

Densidad agua = 1000 kg / m3

Cp (agua) = 4,19 Kj / (Kg.°C)

masa de agua = 300 Kg

Qa = mCpDT = 94.275 Kj

Rata de flujo de la energía requerida para calentar el agua

Qa / t = 78,56 Kw

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Calentamiento Directo

Que es…

Beneficios

• Es el uso del combustible directamente en el proceso donde se requiere la energía; el gas natural gracias a su estado gaseoso y mínima contaminación facilita este tipo de aplicaciones.

• Rapidez de calentamiento

• Reducción de costos al aplicar la energía directamente al proceso

• Operación independiente de los equipos requeridos

• Mejora por homogeneidad de calentamiento del liquido

• Muy buen rendimiento térmico

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Usos

Calentamiento Directo

• Secado

• Hornos

• Extrusoras

• Baños de acabado textil

• Tanques de tratamientos térmicos

en metales

• Baños de Freidores

• Baños de lavado de metales

Calentamiento indirecto de Agua

Esquema tradicional (vapor)

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DISTRIBUIDOR Combustible

CALDERA

TK. RETORNO CONDENSADOS

INTERCAMBIADOR

VALV. REGULADORA

P1 P2

Agua Fría Agua de Make Up

Agua Caliente

ENERGIA UTIL

EFICIENCIA

Calentamiento Directo - Agua

Calentamiento directo de agua

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EFICIENCIA

Calentamiento Directo - Agua

Gas Natural GENERADOR

DE ACS

TANQUE

ACUMULADOR

Agua Fría

ACS a puntos de consumo

BOMBA

RECIRCULACI

ON ANILLO

CONSUMO DE AGUA

Retorno anillo de distribución

ANILLO DE

RECIRCULACI

ON

4.5

00

gpm

4456.835 M3

CONSUMO DE GAS

TEMPERATURA ACS

Calentamiento directo – sistemas disociados

Generador de Agua Caliente + Tanque Acumulador

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Tiro forzado

Tiro atmosférico

Calentamiento Directo - Agua

Calentamiento directo – sistemas compactos

Termotanque

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Calentamiento Directo - Agua

Calentamiento directo – sistemas compactos

Generadores de doble servicio

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Agua a 90°C

Agua a 60°C

Calentamiento Directo - Agua

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• El principio básico es el la aplicación directa de llama sobre el tanque de almacenamiento del liquido

Por llama directa

Calentamiento Directo – No convencionales

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• Ya que existe una mezcla intima de los gases de combustión con el liquido se requiere que los requisitos de proceso no se vean afectados por la adición de los gases.

Por combustión sumergida

Calentamiento Directo – No convencionales

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• No hay contacto directo

con el medio a calentar

• La transferencia es entre

el tubo y el baño a

calentar

• El tubo puede desplazar

espacio para el proceso

• Los consumo de liquido

pueden incrementarse al

requerirse espacio

adicional para la

colocación de los tubos.

Por tubo sumergido

Calentamiento Directo – No convencionales

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Aplicación Combustión Sumergida

Desarrollo para lavadoras en tintorerías

Antes

Combustión Sumergida

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Combustión Sumergida

Cálculo de requerimiento de energía Energía requerida para calentar el volumen de agua

Densidad agua = 1000 kg / m3

Cp (agua) = 4,19 Kj / (Kg.°C)

masa de agua = 300 Kg

Qa = mCpDT = 94.275 Kj

Rata de flujo de la energía requerida para calentar el agua

Qa / t = 78,56 Kw

Cálculos para el recipiente de acero

Densidad acero = 7850 kg / m3

Volumen(acero) = 0,079 m3

Cp (acero) = 0,5 Kj / (Kg.°C)

masa de acero = 620,15 kg

Energía requerida para calentar el tanque de acero

Qac = mCpDT = 23.256 Kj

Rata de flujo de la energía requerida tanque de acero

Qac / t = 19,38 Kw (Kj/seg)

Cálculos para la ropa

Cp (ropa) = 1,348 Kj / (Kg.°C)

masa ropa = 80 kg

Energía requerida para calentar ropa

Qropa = mCpDT = 8.088 Kj

Rata de flujo de la energía requerida para calentar ropa

Qropa / t = 6,74 Kw

Calor entregado al medio ambiente (5% del Qa del agua)

Qma/t = UCpDT = 3,93 Kw

Enegía Total Requerida

Qtot / t = (Qa+Qac+Qr+Qma)/t = 108,61 Kw

L

D

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Combustión Sumergida

Dimensionamiento tubo de transferencia

MATERIAL ESPESOR CONDUCTIVIDADRESISTIVIDAD

m W/m °C m2 °C / W

AIRE 0,0002 0,025 0,008

CAPA SUPERFICIAL0,0002 0,5 0,0004

TUBO 0,006 50 0,00012

CAPA SUPERFICIAL0,0001 0,5 0,0002

PELICULA DE AGUA0,00005 0,6 8,33333E-05

SUMA RESISTIVIDADES 0,008803333 m2 °C / W

U GLOBAL 113,5933359 W/m °C

CALCULO DE COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA

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Combustión Sumergida

Dimensionamiento del tubo de transferencia

A = (Q/t) / (U*DT) = Pi * D * L = 7,78 m2

Para un diametro de 6 pulgadas 0,1524 m

L = A / (pi * D) = 16,25 m

Q/t = U*A*DT => A = (Q/t) / (U*DT)

Proyecto Ejemplo

Proyecto de Aplicaciones Directas

Con Gas Natural en las tintorerías

ANTECEDENTES

• La empresa CyR Texco

Ltda. pertenece al sector

productivo de las

tintorerías y usaba en su

proceso una caldera de

carbón de 120 bhp, razón

esta que le representaba

múltiples inconvenientes

con la secretaría del

medio ambiente y con la

comunidad.

DIFICULTAD DE OPERAR

• Disposición de grandes espacios para almacenamiento de carbón y

ubicación de caldera.

• Grandes inversiones en aparatos para reducir la contaminación.

• Incumplimiento de normas ambientales.

• Largos tiempos de alistamiento.

• Problemas continuos de calidad y suministro del carbón.

• Dificultad para producir lotes pequeños de producción.

• Desperdicios constantes de vapor y de combustible.

• Altos niveles de contaminación externa e interna.

• Generación constante de hollín.

• Reprocesos frecuentes por manchas en la producción.

Montaje de Intercambiador

COSTOS DEL PROYECTO Resumen de inversiones realizadas

COSTO CALDERA CARBON 120 BHP $144.500.000

RESULTADOS

• Se logró obtener el objetivo buscado de calentar hasta 90° directamente con gas natural y en un tiempo de 20 minutos el baño de la lavadora de 80 kilos

• Un Proceso limpio (ya que utiliza un combustible ecológico con mínimas emisiones de material particulado y fácil de quemar)

• Independización del proceso de lavado (que permite reducir los costos de operación al utilizar únicamente el equipo que se requiere cuando se requiere; lo que permite trabajar por baches de producción)

• Homogeneidad de la tela tratada (al calentar homogéneamente el baño de agua)

• Reducción en un 20% de los costos de operación ( al ser más eficiente el proceso ya que no se transforma el agua en vapor)

• Reducción de inversiones y costos de montaje (Al no requerir de la caldera, ni de redes de vapor, se reducen las inversiones y además se libera espacio útil en la planta)

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Muchas gracias

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Tecnologías de generación de Agua Caliente

Calentamiento indirecto (vapor)

Ventajas

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• Permite cubrir otras necesidades de

vapor en la instalación, Por ejemplo:

• Secado

• Cocción

• Humidificación

• Sistema tradicional con

requerimientos técnicos ya

conocidos

• Amplia oferta de servicios

disponibles

• Repuestos

• Servicios de mantenimiento

• Personal de Operación

Tecnologías de generación de Agua Caliente

Calentamiento indirecto (vapor)

Desventajas

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• Baja eficiencia térmica - Pérdidas

• Convección

• Caldera

• Tuberías de distribución de vapor

• Condensados

• Alto consumo eléctrico

• Altos costos de mantenimiento

• Tto. agua de alimentación a caldera

• Incrustaciones (Caldera)

• Corrosión (Líneas de vapor)

• Fugas (juntas, roturas, válvulas)

• Aislamientos térmicos

Tecnologías de generación de Agua Caliente

Calentamiento directo

Ventajas

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• Mayor eficiencia térmica que sistemas de calentamiento con

vapor (menor consumo de combustible)

• Sistemas compactos con bajos requerimientos de espacio

• Menor ruido

• No requieren tratamiento de agua

• Pueden operan a bajas presiones (menor riesgo).

Tecnologías de generación de Agua Caliente

Calentamiento directo

Desventajas

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• Tecnologías recientes en el país

• Incredulidad

• Desconocimiento técnico

• Diseño a la medida que no permite la producción de agua sino a

la temperatura de diseño.