René Perea, Gerente Grandes Clientes Gas Natural S.A. ESP

1. 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

3. Aplicaciones del Gas Natural
Mejoras en la eficiencia del
calentamiento de agua
Diego Chinchilla Torres
Ingeniero Mecánico
GRANDES CLIENTES
NOVIEMBRE 2011
3

4. 1. Conceptos Generales
• Combustión
• Transferencia de calor
• Calor
2. Calentamiento Directo
3. Aplicación Combustión sumergida
4. Proyecto Ejemplo
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5. Conceptos Generales
Combustión
Que es La combustión? Fuente de Ignición
Es una rápida reacción
química de un combustible
con oxigeno que resulta en
una la producción de calor
y usualmente una llama
visible. Combustible Oxígeno
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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6. 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
6

7. 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
7

8. Conceptos Generales
Transferencia de calor
8

9. 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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10. Calentamiento Directo
Que es…
• 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.
Beneficios
• 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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11. Calentamiento Directo
Usos
• Secado
• Hornos
• Extrusoras
• Baños de acabado textil
• Tanques de tratamientos térmicos
en metales
• Baños de Freidores
• Baños de lavado de metales
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12. Calentamiento Directo - Agua
Calentamiento indirecto de Agua
Esquema tradicional (vapor)
Agua Caliente
TK. RETORNO
CONDENSADOS
Agua de Agua Fría
Make Up
P1 P2
VALV.
Combustible REGULADORA
CALDERA DISTRIBUIDOR
INTERCAMBIADOR
ENERGIA UTIL
EFICIENCIA
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13. Calentamiento Directo - Agua
Calentamiento directo de agua
TEMPERATU
RA ACS
ACS a puntos de
ANILLO DE consumo
RECIRCULACI
ON
TANQUE
Gas ACUMULADOR
Natural GENERADOR
DE ACS Retorno anillo
BOMBA de
distribución
4456.835 M3
RECIRCULACI
ON ANILLO
CONSUMO DE
GAS
CONSUMO DE
AGUA
Agua Fría
EFICIENCIA
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14. Calentamiento Directo - Agua
Calentamiento directo – sistemas disociados
Generador de Agua Caliente + Tanque Acumulador
Tiro forzado
Tiro atmosférico
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15. Calentamiento Directo - Agua
Calentamiento directo – sistemas compactos
Termotanque
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16. Calentamiento Directo - Agua
Calentamiento directo – sistemas compactos
Generadores de doble servicio
Agua a 60°C
Agua a 90°C
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17. Calentamiento Directo – No
convencionales
Por llama directa
• El principio
básico es el
la aplicación
directa de
llama sobre
el tanque de
almacenami
ento del
liquido
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18. Calentamiento Directo – No
convencionales
Por combustión sumergida
• 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.
18

19. Calentamiento Directo – No
convencionales
Por tubo sumergido
• 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.
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20. Aplicación Combustión Sumergida
Desarrollo para lavadoras en tintorerías
20

21. Antes

22. Combustión Sumergida

23. 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
L
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
D
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
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24. Combustión Sumergida
Dimensionamiento tubo de transferencia
CALCULO DE COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA
MATERIAL ESPESOR CONDUCTIVIDAD
RESISTIVIDAD
m W/m °C m2 °C / W
AIRE 0,0002 0,025 0,008
CAPA SUPERFICIAL 0,0002 0,5 0,0004
TUBO 0,006 50 0,00012
CAPA SUPERFICIAL 0,0001 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
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25. Combustión Sumergida
Dimensionamiento del tubo de transferencia
Q/t = U*A*DT => A = (Q/t) / (U*DT)
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
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26. Proyecto Ejemplo
Proyecto de Aplicaciones Directas
Con Gas Natural en las tintorerías

27. 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.

28. 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.

29. Montaje de Intercambiador

30. COSTOS DEL PROYECTO
Resumen de inversiones realizadas
COSTO CALDERA CARBON 120 BHP $144.500.000

31. 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)

32. Muchas gracias
32

33. 33

34. Tecnologías de generación de Agua
Caliente
Calentamiento indirecto (vapor)
Ventajas
• 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
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35. Tecnologías de generación de Agua
Caliente
Calentamiento indirecto (vapor)
Desventajas
• 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
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36. Tecnologías de generación de Agua
Caliente
Calentamiento directo
Ventajas
• 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).
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37. Tecnologías de generación de Agua
Caliente
Calentamiento directo
Desventajas
• 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.
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