Lección 4 Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales Mariano Alarcón García Bloque temático II Eficiencia energética Master en Ingeniería Química Curso 2007/08 Energías Renovables en Ingeniería Química

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales2 Lección 4. Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales 1.Oportunidades de recuperación y revalorización de energía 2.Objetivos en el subsector de la industria química 3.Dispositivos generales para la recuperación de calor: cambiadores de calor 4.Procedimientos de revalorización de la energía 1.Bomba de calor 2.Recompresión de vapores 3.Ciclo frigorífico de absorción 5.Sistemas de cogeneración de cola

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales3 Bibliografía Ager Hortal, M. et al., El ahorro energético. Estudios de viabilidad económica. Ed. Díaz de Santos, Madrid, Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética E4 en España 2004 – Subsector industria química. Madrid, Ministerio de Economía, Bermúdez, Vicente et al., Tecnología Energética, Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia, Valencia, Gestión energética en la industria. Ministerio de Industria y Energía, Madrid, 1983 Manual de eficiencia energética en la industria. CADEM, Ente Vasco de la Energía, Bilbao, 1984.

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales4 4.1 Oportunidades de recuperación y revalorización de energía La recuperación de energía consiste básicamente en el aprovechamiento de flujos térmicos secundarios o efluentes de otros procesos. Los generadores térmicos (hornos, calderas, etc.) son equipos con una problemática particular, que ofrecen oportunidades específicas, y, por ello se tratan aparte (lec 5). La cogeneración es una forma de aprovechamiento de flujos residuales muy específica y que tiene su propio tratamiento (lec. 6) Integración energética Filosofía relacionada con la integración de consumos energéticos muy dispersos y que podrían ser generados y suministrados de forma más eficiente mediante un único suministrador a las industrias ubicadas en polígonos.

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales5 4.1 Oportunidades de recuperación y revalorización de energía (2)

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales6 4.1 Oportunidades de recuperación y revalorización de energía Recuperación de flujos térmicos residuales Calor de refrigeración de maquinaria, reactores, productos, condensadores de máquinas frigoríficas, compresores, etc. Efluentes de procesos diversos, hornos, etc. Flujos de bajo nivel térmico 60  100ºC, precalentamiento de fluidos precalentamiento del agua y/o aire de alimentación de generadores térmicos agua caliente sanitaria calefacción (oficinas, invernaderos, etc.) Flujos de alto nivel térmico (>100ºC) procesos diversos revalorización de la energía (ciclo absorción, cogeneración, etc.)

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales7 4.2 Objetivos en el subsector de la industria química Estrategia E4 Estrategia de Eficiencia Energética en España , para el subsector Químico

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales8 4.3 Dispositivos generales para la recuperación de energía: intercambiadores de calor En general la recuperación de flujos térmicos se realiza mediante cambiadores de calor de diverso tipo: Intercambiadores de carcasa y tubos Intercambiadores de placas Recuperadores (intercambiadores gas-gas) Caloductos (heat pipes) Intercambiadores bi-transfer Economizadores, para el precalentamiento del agua de alimentación en calderas Regeneradores rotativos, para el precalentamiento del aire de combustión Calderas de recuperación, para la generación de agua caliente, vapor u otro fluido térmico

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales Balance de energía en intercambiadores de calor En general, en cualquier intercambiador se puede escribir (Primer Principio): donde es el caudal másico y h la entalpía de los distintos flujos. Si el intercambiador no tiene pérdidas al exterior:

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales Intercambiadores de carcasa y tubos Son los más universales Toda clase de fluidos, temperaturas y presiones Buen rendimiento Fácil diseño Amplia tecnología Se han visto desplazados por los intercambiadores de placas en muchas aplicaciones por su mayor tamaño.

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales Intercambiador de placas Se emplean habitualmente para líquidos, con limitación de presión (20 bar) y temperatura (250ºC). Han desplazado a los cambiadores de carcasa y tubos en numerosas aplicaciones por su menor volumen y precio competitivo.

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales Caloducto o heat pipe Están formados por un doble tubo cerrado y con una cierta inclinación en cuyo interior está contenido un fluido que cambia de fase en el rango de temperaturas de trabajo. La superficie del extremo inferior del tubo se sumerge en el flujo caliente produciendo la vaporización y ascenso del fluido interno hasta el extremo superior, donde en contacto térmico con un flujo o depósito más frío condensa y cae. Es un sistema eficiente para intercambiar y transportar calor en distancias pequeñas.

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales Intercambiador bi-transfer Se emplean habitualmente en intercambios de corrientes gaseosas que circulan por conductos a una cierta distancia. Un fluido intermedio (líquido) es el que hace realmente la transferencia entre ambas corrientes.

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales Regenerador rotativo Se emplean también en intercambios de corrientes gaseosas, pero en este caso que circulan por conductos a corta distancia. Están formados por haces de placas metálicas insertas en un disco, que en su giro al pasar por la corriente caliente toman temperatura que ceden al pasar por la corriente fría.

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales Procedimientos de revalorización de la energía La revalorización energética consiste en elevar el nivel térmico o calidad de un flujo térmico, invirtiendo para ello una cierta cantidad de energía suplementaria en convertir flujos de baja calidad (calor) en alta calidad (trabajo) en sustituir trabajo por energía térmica de baja calidad. Existen numerosos flujos térmicos a temperaturas relativamente bajas (<100ºC), cuya recuperación no es factible porque no se encuentran oportunidades para su aplicación.

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales Bomba de calor Una máquina frigorífica es un equipo que transporta calor de un foco frío (evaporador) a un foco caliente (condensador), requiriendo para ello la aportación de energía (generalmente mecánica: un compresor). Una bomba de calor es una máquina frigorífica en la que se aprovecha el calor cedido en su foco caliente o condensador. La bomba de calor obtiene flujos térmicos útiles partiendo de flujos térmicos a temperatura relativamente baja y mediante la aportación de energía mecánica. Si se posee un flujo a una cierta temperatura y se quiere elevarla para una aplicación, dicho flujo abastece el foco frío de la bomba y en su foco caliente se obtiene un flujo a mayor temperatura e incluso de superior cuantía energética. foco frío (evaporador) foco caliente (condensador) compresor

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales Bomba de calor (2) Se define el coeficiente de prestaciones de la bomba de calor como siendo Q k el calor de condensación o calor cedido al foco caliente, W c el trabajo requerido en el compresor y Q 0 el calor absorbido del foco frío. Si se dispone de una corriente m 1 a una temperatura T 1 y se desea obtener un flujo m 2 a una temperatura T 2 > T 1, puede construirse un ciclo frigorífico en el que el evaporador esté recorrido por el flujo a la temperatura T 1 y el de salida del condensador a T 2, invirtiendo para ello un trabajo. donde  T k y  T 0 son los saltos térmicos de los fluidos que extraen calor del condensador y evaporador.

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales Recompresión de vapores Consiste en comprimir un vapor que ha perdido presión (y entalpía) en esta fase, evitando su condensación y la pérdida de energía que esta conlleva

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales Ciclo frigorífico de absorción Los ciclos frigoríficos convencionales son de “compresión mecánica”; funcionan generalmente accionados por energía eléctrica, de alta calidad y, por tanto, cara. El ciclo frigorífico de absorción es un ciclo en el que el compresor se sustituye por una bomba y un conjunto absorbedor-generador que funciona con una mezcla binaria del tipo NH3-H2O o BrLi- H2O. La bomba produce el salto de presiones entre evaporador y condensador, consumiendo mucha menos energía mecánica que un compresor, al realizarse la compresión en fase líquida. El generador requiere energía térmica de media temperatura (80  120ºC)  se sustituye energía mecánica (cara) por energía térmica que puede proceder de flujos secundarios o residuales o energía solar (barata).

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales20 Ejemplo 1 Un compresor de 309 kW potencia con capacidad de 63 m3/min y se refrigera con un flujo de agua a 10ºC, que alcanza la temperatura de 70ºC a la salida del compresor y 25ºC a la salida del postenfriador, generando ACS a 50ºC, para 100 personas, y el resto se aprovecha como agua de alimentación de una caldera de F.O. de rendimiento 85%. El calor recuperado del compresor supone el 90% de su potencia de accionamiento. Inicialmente el ACS se generaba mediante un termo eléctrico.

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales21 Ejemplo 2 En una instalación se dispone de 50 l/s de agua “contaminada” a 60ºC que no se recupera, mientras que. existe una demanda de 20 l/s de agua sobrecalentada a 110ºC y se estudian tres alternativas: Caldera convencional de F.O. de kJ/kg de PCI, con rendimiento del 85% Bomba de calor de compresión mecánica, con accionamiento eléctrico. El fluido de trabajo es R141b, y el COP del ciclo es 4,7 (El ciclo frigorífico estaría definido por: T0=50ºC; T0,rec=5ºC; Tk=120ºC; Tk,sub=40ºC; sc=0,8). Idem con accionamiento por motor alternativo de F.O. con un rendimiento mecánico del 35% El flujo de agua “contaminada” puede alimentar directamente la bomba de calor, pero no la caldera. En esta opción se utilizaría un cambiador, del que el agua de alimentación de la caldera saldría a 50ºC. Determinar el coste de la energía requerida para la obtención de agua sobrecalentada en ambos casos.

Tecnologías de recuperación y revalorización de calores residuales22 Ejemplo 2