Resumen ejecutivo de la presentación de ICA-Procobre, Oct. 2016: Eficiencia Energética en Sistemas Térmicos

1. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN SISTEMAS TÉRMICOS
Introducción
Actualmente la seguridad energética, el crecimiento económico, el bienestar y felicidad de
la población, así como la conservación del medio ambiente son las problemáticas más
importantes a resolver para lograr el desarrollo sustentable de los seres humanos.
Adicionalmente a lo anterior, la competitividad que se presenta en el sector productivo del
mercado actual requiere de la optimización y uso eficiente de la energía.
Energías como la electricidad y el vapor son fuentes energéticas de uso final en la
industria, para dar abasto a servicios de iluminación, calefacción, agua caliente, y
vaporpara procesar, transformar materias y crear productos, vía calderas,
intercambiadores de calor, motores eléctricos, lámparas y equipo electrónico, entre
muchos otros. Es por ello que el consumo de energéticos en la industria se constituye de
electricidad y de diferentes combustibles para llevar a cabo la generación de energía
térmica en forma de vapor, agua caliente y refrigeración
“La Energía más limpia que existe es la que no se consume ya que no causa ningún
efecto en el medio”.
La eficiencia energética es el camino más indicado para reducir las emisiones
contaminantes de CO2 (dióxido de carbono) a la atmósfera, y por tanto detener el
calentamiento global del planeta y el cambio climático
Primera Ley de la termodinámica
La Termodinámica estudia los procesos de transformación de la energía y permite a
través de su primer principio llamado Primera Ley de la Termodinámica, cuantificar la
cantidad de recursos naturales (combustible en el caso de la energía térmica) consumidos
en un proceso determinado y conocer el costo en términos del capital invertido. El análisis
combinado de primera ley junto con la segunda ley de la termodinámica, se enriquece de
acuerdo a la siguiente premisa:
“Tarde o temprano, todo flujo energético acaba por convertirse en calor a la temperatura
ambiente y deja de tener utilidad”.
Históricamente podemos citar un sin número de ejemplos en los que el hombre ha
utilizado la energía térmica con un propósito. Desde la leña para su propia sobrevivencia
a través de las fogatas para calentamiento y cocción de los alimentos. El primer principio
se sigue utilizando como la piedra angular para la mayoría de los sistemas energéticos
como método de análisis. La solución para una mejora en el análisis de un sistema
termodinámico se basa en encontrar la mejor utilización de los recursos.

2. Hoy en día muchas aplicaciones utilizan flujos térmicos de manera continua y en grandes
cantidades. Por ejemplo, el uso de vapor en procesos industriales como industria
alimenticia, farmacéutica,papelera,textil, incluso el ciclo Rankine etc., que son
consideradas de un alto consumo de vapor. Otro tipo de sistemas térmicos son los que
ocupan equipos de combustión con un alto consumo de energía térmica como pueden ser
industria cementera, siderúrgica, vidriera, turbinas de gas (aeronáuticas o ciclo Brayton),
etc.
Aun cuando la utilización de los combustibles fósiles no pueda ser del todo sustentable el
desarrollo de análisis termodinámicos puede ayudar a determinar la degradación de la
calidad de la energía y tratar de consumir menos recurso (energía térmica) para obtener
la misma o una mayor cantidad de producto de un sistema, asiéndolo más competitivo.
Recuperación de calor a través de Intercambiadores de calor
El calor de desecho o de desperdicio puede definirse como la energía asociada a
corrientes o flujos de desecho de aire, gases producto de la combustión y/o fluidos que se
expulsan a través de las fronteras de una planta oedificio y entran al medio ambiente. La
expulsiónde la energía de desecho es frecuentemente referidacomo contaminación
térmica.
Se ha estimado que hasta un 50% de la energía consumida en la industria se descarga al
medio ambiente como calor de desecho. Desafortunadamente, solamente una fracción de
esta energía puede ser recuperada de manera práctica. Típicamente, solo flujos de
descarga con temperaturas mayores de 90°C pueden tener una recuperación de calor de
desecho económicamente aceptable.
“Los procesos industriales típicos podrían ahorrar 20 % de los requerimientos de
combustible mediante la recuperación de calor y el manejo de calor de desecho”
La principal razón para intentar recuperar el calor de desecho es la parte económica, el
calor de desecho que se recupera y utiliza provechosamentereduceel consumo de
combustiblesy así mismo reduce los costos de energía relacionados directamente con la
producción de bienes. Un segundo beneficio económico resultante esla reducción del
costo de capital vinculado a la adquisición deequipo de conversión de energía de menor
capacidad. El aspecto económico de los sistemas de calor derecuperación depende de
cuatro factores:
1. Debe haber un uso apropiado para el calor de desecho;
2. Debe haberuna cantidad adecuada de calor de desecho;
3. El calor debe ser de una calidad adecuada para el propósito deseado;
4. el calor debe ser usadode manerarentable.
El método de recuperación de calor se logra a través de equipos de intercambio de calor.
El intercambiador de calor es un dispositivopasivo o activo que directa o indirectamente
transfiere calor desde una corriente de desecho caliente a una corriente fría de entrada.
En los intercambiadores de calor únicamente se requiere el trabajo mecánico de una
bomba o un ventilador pararecircular el medio de intercambio de calor tal como el agua o

3. el aire, existen una gran cantidad de intercambiadores, los más comunes se muestran en
la siguiente tabla.
Tabla tipos de intercambiadores
Doble tubo Tubos y Coraza Placas
En el diseño de un sistema de recuperación de calor de desecho,se debetomar en cuenta:
la disponibilidad temporal del calor de desecho, la cantidad de calor de desechoy
lacalidad o temperatura del calor de desecho. Si el período de tiempo durante el cual se
dispone del calor de desecho no es el mismo que el período en el cual el calor puede
utilizarse entonces ese calor debe ser almacenado (incrementa sustancialmente el costo
del sistema propuesto) o puede no utilizarse y tirarse al ambiente.
La cantidad de calor de desecho disponible debe ser la adecuada para justificar el costo
del equipo y el sistema de recuperación.Pequeñas cantidades de calor de desecho
frecuentemente no logran justificar el costo del equipo de recuperación.
También se debe comparar la cantidad de calor de desecho disponible con la cantidad de
calor requerido para aprovechamiento, una diferencia considerable resultaráser
económicamente no atractiva, además la calidad del calor de desecho disponible debe ser
lo suficientemente alta para justificar el costo de sistema y el equipo de recuperación de
calor.
La recuperación de calor desde una fuente de temperatura alta es económicamente más
factible que de una fuente detemperatura media o baja. Sin embargo, la
recuperacióndesde una fuente de alta temperatura es muy costosa dado que el equipo de
recuperaciónrequiere un diseño extremadamente cuidadoso yse debenutilizar materiales
especiales en su construcción.
Para poder determinar la factibilidad del sistema de recuperación se requiere desarrollar
un balance de masa y energía para la planta en particular y así proponer el adecuado
sistema de recuperación de calor. La energía contenida en el calor de rechazo se utiliza
comúnmente en los siguientes procesos:
 Calentamiento de agua de alimentación a calderas
 Calentamiento de agua de repuesto
 Calentamiento de aire para la combustión
 Calor para procesos de secado
 Calentamiento de agua de uso domestico
 Calefacción de edificios

4.  Generación de potencia eléctrica
Eficiencia energética en las calderas.
Al instalar los equipos auxiliares ahorradores de energía disponibles en las calderas, la
eficiencia de estas se verá incrementada, esto permitirá llevar la eficiencia convencional
de las calderas a un máximo. Sin ningún problema se podrá pasar de la eficiencia de 75 a
80 o de 82 a 86%, acercándose estos valores a las mejores prácticas industriales
disponibles comercialmente y operacionalmente. Ahora bien, esto puede realizarse vía las
siguientes medidas como la operación de una, el tipo de combustible usado en la
operación de la caldera, la eficiencia de la caldera.
Se recomienda el uso de combustibles que sean más limpios con la finalidad de disminuir
el hollín, producto de la combustión, que actúa como una capa de material aislante, lo
cual interfiere con la transferencia de calor. Como ejemplo de lo anterior se encuentra el
diésel y combustóleo que al contener más impurezas producen un nivel alto de hollín,
Además de cuidar la relación Aire combustible a mayor exceso de aire será menor la
eficiencia de la caldera.
Tabla relaciones Aire combustible recomendadas
Combustible
O2 CO2 Exceso de
Aire %
% %
Gas Natural 2.23 10.6 10
Diésel 3.2 13.5 15
Gasóleo 3.71 9.9 17.5
Combustóleo 4.22 12.5 20
Carbón 4.5 14.5 25
Madera 5 15.5 30
La combustión con gas genera mucho menos contaminantes y es más sencillo ajustar la
combustión permitiendo aminorar el impacto ambiental al reducir la emisión de partículas
a la atmósfera en beneficio de la salud de quienes respiramos este aire.
Otras recomendaciones que se tienen son:
 La operación automática y manual de una caldera
 Cambio de Quemadores
 Instalación de economizador
 Sistema de Purgas automáticas
 Sustitución de Aislamientos
Sistemas de distribución de vapor
El vapor durante su paso por la tubería está sujeto a caídas de presión debidas a la
fricción, más enfriamiento por disipación de calor por el material de la tubería, lo cual se
asocia a la disminución de su temperatura, y por ende a la generación de condensado
dentro de la tubería.

5. El sistema de trampeo es un dispositivo cuya función es eliminar el vapor condensado,
adicionalmente puede eliminar el aire y otros gases no condensables, previniendo así la
perdida de presión adicional por arrastre de condensado y con ello de energía. En el caso
del aire y los gases no condensables, estos a su vez pueden afectar al equipo ya que
causan corrosión.
Se recomienda:
 Sistemas de Aislamiento en tuberías
 Sistema de Retorno de Condensados
 Detectar y reparar fugas
Un sistema que utiliza todos los equipos vistos, calderas, intercambiadores, sistemas de
generación y distribución de vapor es la cogeneración la función del esquema usar al
máximo en la recuperación del calor de rechazo. La implementación de esquemas de
cogeneración sobre la base de las características técnicas del aprovechamiento de la
energía, como las eficiencias de operación de los diferentes equipos, en conjunción con la
estrategia que defina el usuario industrial, dará como resultado un mayor o menor nivel de
abasto de sus requerimientos energéticos.
Conclusión
El uso de la energía, es que es de gran importancia y contribuye a la sustentabilidad,
llevar a cabo una modernización en el sector industrial, induciendo a la industria
establecida a que tome acciones técnico - operativas modificado las condiciones térmicas
de sus equipos y procesos industriales, que permitan la optimización de los equipos que
integran los sistemas térmicos, mejorando así su eficiencia a fin de reducir por un lado el
consumo de energía e intrínsecamente la emisión de contaminantes, y finalmente
mostrando el gran potencial que tiene la eficiencia energética para compensar los
incrementos en la demanda y el consumo de energía.
Bibliografía
Moreno, T, et al, Eficiencia energética, Editorial terracota Colección sello de arena, 2012
ICA – Procobre Red de instituciones latinoamericanas cuya misión es la promoción del uso del cobre,
impulsando la investigación y el desarrollo de nuevas aplicaciones y difundiendo su contribución al
mejoramiento de la calidad de vida y el progreso de la sociedad. www.procobre.org