metodología de integración energética para la industria...

1. Introducción

La productividad de la industria se ve afectada por el mal manejo de sistemas energéticos y su alta contaminación. Es por eso que el ahorro energético, el ahorro económico derivado del anterior, la reducción de emisiones contaminantes y la disminución de la dependencia energética exterior, han hecho que la cogeneración de energía haya cobrado importancia en la totalidad de los países desarrollados.

El presente artículo muestra el desarrollo de una metodología para el análisis y evaluación del funcionamiento energético y su respectiva optimización mediante un sistema de cogeneración evaluado mediante la tecnología Pinch, en una empresa

de productos lácteos. Los aspectos involucrados en el estudio hacen referencia a la utilización de la energía, su calidad y cantidad. Dichos aspectos permitirán concluir sobre el manejo óptimo de la energía para mejorar la eficiencia de los procesos.

En este caso, en el estudio se combinan los datos de producción y consumos de energía, tanto eléctrica como de gas natural utilizados en los procesos de transformación de productos alimenticios dirigidos a la conservación de alimentos, bebidas, productos industriales y elementos que proveen bienestar a los seres vivos, sin afectar el medio ambiente. Es un hecho que todos los datos e información utilizados para la evaluación son reales y por tanto deben ser respetados. Su manejo será única y exclusivamente para fines de análisis de la compañía, solo estarán disponibles al lector las teorías y técnicas que le permitan encontrar opciones de mejora en sus procesos. Por lo anterior,

Vector 6 (2011) 20 - 29ISSN 1909 - 7891

Metodología de integración energética para la industria láctea por medio de la aplicación de un sistema de

cogeneración de energía evaluado mediante la tecnología Pinch

Wilman Antonio Orozco Lozanoa, Fabio Andrés Bermejo Altamarb*, Antonio José Bula Silverac

a Magister. Profesor, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma del Caribe, Barranquilla, Colombia.b Magister. Profesor, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma del Caribe, Barranquilla, Colombia.

C PhD. Profesor Titular, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad del Norte, Barranquilla, Colombia.

Recibido: 14 de junio de 2012. Aprobado: 11 de marzo de 2013

* Autor de correspondencia.E-mail: [email protected] (W. Orozco)E-mail: [email protected] (F. Bermejo)

ResumenLa tecnología de ahorro energético Pinch es apropiada para diseñar y optimizar procesos cogenerativos. La presente investigación logra el desarrollo de una metodología de cogeneración para una empresa de la industria láctea a partir de una caracterización energética, desde la cual se selecciona una fuente de energía viable para poder acoplarla a un intercambiador de calor, que será evaluado mediante la tecnología Pinch y así obtener el uso eficiente del calor y su posterior aprovechamiento. De acuerdo a la metodología diseñada, el sistema convencional maneja una eficiencia energética del orden de 37% y el sistema de cogeneración propuesto del 80,1%; en cuanto al consumo energético primario (gas natural) este se reduce en un 30% con una reducción del costo del kWh de un 50%.

Palabras clave: Gas natural, refrigeración, punto Pinch, energía eléctrica, energía térmica.

Methodology of energy integration for dairy industry through the application of a cogeneration system evaluated through Pinch technology

AbstractThe Pinch energy saving technology is an appropriate technology to design and optimize cogeneration processes. This research achieved the development of a cogeneration methodology for an enterprise from the dairy industry with an energy characterization from which a viable energy source was selected in order to couple it to a heat exchanger, which was assessed by means of Pinch technology to obtain an efficient use of the heat and its subsequent good use. In accordance to the methodology designed, the conventional system managed energy efficiency of about 37% and the proposed cogeneration system showed 80.1% efficiency; regarding the primary energy consump-tion (natural gas), it cut down on 30% with reduced costs of 50% per kWh

Key words: Natural gas, cooling, Pinch point, electric energy, thermal energy.

Metodología de integración energética para la industria láctea por medio de la aplicación de un sistema de cogeneración de energía evaluado mediante la tecnología Pinch

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solo se presentará la tabla de consumo general de la compañía (Espinal, 2005).

En el primera parte, se aborda un análisis de la situación mundial de los sistemas de cogeneración, al mismo tiempo se profundiza en aspectos básicos de los sistemas, definiendo términos y señalando ventajas en que se pueda incurrir por la aplicación de estos sistemas. Se exponen distintos factores que pueden influir decisivamente en la selección de esquemas de cogeneración (Campos y Cervera, 2004).

La segunda parte, está dedicada a ofrecer una serie de fundamentos científicos que abarcan desde la recopilación de información hasta la selección de los sistemas de cogeneración, a través del desarrollo de un estudio técnico-económico a fin de tener una serie de bases definitivas para optar por estos equipos.

A partir de la tercera, cuarta y quinta parte, se expone y aplica de manera sistematizada la metodología de integración energética para la industria láctea, aplicando un sistema de cogeneración de energía mediante la tecnología Pinch y a su vez se realiza la evaluación detallada (Linnhoff, 1998; Ian, 2007).

2. Metodología

La metodología desarrollada se describe en el diagrama de flujo mostrado en la Figura 1. Se realizó un estudio del sistema convencional actual con el fin de establecer las cantidades de producción con sus consumos energéticos. Se desarrolló la caracterización energética de la industria, realizando la cuantificación y distribución del consumo de energía eléctrica y térmica; y la identificación y cuantificación de las ineficiencias energéticas en los principales consumidores de energía eléctrica y térmica. Adicionalmente, se identificaron las diferentes alternativas de cogeneración. Asimismo, se realizó la elección del sistema de cogeneración utilizando como criterios la relación de Q/E, el tipo de combustible de acuerdo con sus costos y la generación de emisiones contaminantes, los costos de la tecnología y las curvas de demanda de calor-electricidad. Seguidamente, se realizó la implementación del sistema seleccionando aplicando la tecnología Pinch. En esta etapa se determinó el consumo de combustible al 100% de la carga del motor y se diseñó térmicamente el intercambiador de calor. Por último, se hizo la evaluación técnico-económica del sistema implementado, en donde se establecieron los respectivos balances de energía y exergía de todas las corrientes del sistema, y se determinó el costo del sistema.

Figura 1. Metodología en la integración energética del sistema de cogeneración en la industria láctea.

3. Resultados y discusión

3.1. Equipos y generación actual

Actualmente la industria láctea cuenta para la generación de vapor en su área de servicios de cuatro equipos generadores de vapor; donde el vapor producido es necesario en sus procesos de producción. En la Figura 2 se muestra una de las calderas utilizadas actualmente en la generación de vapor, este equipo actualmente se encuentra en la zona de leche líquida.

Figura 2. Caldera actual utilizada para la generación de vapor. Fuente: Coolechera (2010).

Wilman Antonio Orozco Lozano, Fabio Andrés Bermejo Altamar / Vector 6 (2011) 20-29

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Las especificaciones de los equipos y demás características fueron tomadas del manual del fabricante (Colmáquinas, Colombia).

Tabla 1Condiciones y parámetros de los dos tipos de calderas en esta Industria

CARACTERÍSTICASCapacidad (BHP) 150 300 400 600Superficie de calentamiento (ft2) lado fuego 750 1500 2000 3000Btu/h * 1000 5,021 10,04 13,39 20,09Liberación térmica (Btu/ft3 *h)*1000 148 145 143 139Libras de vapor / hora a 212ºF 5.175 10.350 13.800 20.700Consumo de gas natural (1000Btu/ft3)(ft3/h) 6,276 12,552 16,736 25,104Peso neto de caldera a 150 psi (lb) 17.835 27.600 34.118 47.154Peso de la caldera a nivel normal de agua (lb) 27.837 44.950 56.378 79.234Contenido del agua a nivel normal (gal) 1.199 2.048 2.668 3.907

Fuente: Coolechera (2010).

La Tabla 1 muestra características muy importantes para conocer la cantidad de generación de vapor por equipo y la relación vapor generado / consumo de gas natural.

· Presión del vapor (Psig): 100.· Temperatura de agua de alimentación (°C): 57.· Temperatura de retorno del condensado (°C): 88.· Porcentaje de retorno del condensado (%): 45.

Con la Tabla anterior se puede concluir que en condiciones normales de funcionamiento y con una eficiencia global de 80% por equipo, que 1 m³ de gas natural consumido produce 23,28 lb de vapor. Conociendo la cantidad de gas natural consumido durante un mes se obtuvo la cantidad de vapor utilizado en los procesos de producción en la industria.

3.2. Caracterización energética

Para poder realizar la caracterización se realizó una distribución en planta de todos los equipos actuales para poder recopilar toda la información necesaria. Analizando los principales sistemas y equipos consumidores de energía y sus componentes, determinando eficiencias térmicas y operacionales que impactan en el consumo energético y buscando con ello el uso eficiente de energía y reducción de costos operacionales. Wang (1993) y Mann y Liu (1999) y desarrollaron un modelo de minimización del consumo energético.

Para el año 2008 se obtuvieron unos valores de consumos de energía eléctrica y de gas natural, junto con sus respectivos costos que se registran en la Figura 3.

Figura 3. Caracterización energética de la industria láctea. Fuente: Coolechera (2010).


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Las Figuras 3 y 4 muestran unos picos máximos en los consumos eléctrico y de gas natural con un valor de 792330 kWh/mes en el mes de octubre y de 549041 m3/mes en el mes de julio, respectivamente. Lo anterior

se usó como parámetro al momento de seleccionar el motor, sea continuo o reciprocante, con el fin de no ser superados por la demanda energética.

Figura 4. Relación de costos energéticos por mes. Fuente: Coolechera (2010).

Energía Empresarial de la Costa, realizó un estudio minucioso en las instalaciones de la industria láctea arrojando la Tabla 2 correspondiente a la caracterización energética de la misma, en el período comprendido entre el 12 de diciembre de 2007 hasta el 14 de marzo de 2008:

Tabla 2Caracterización energética distribuida de la industria láctea

Fuente: Coolechera (2010).

Se observa cómo el consumo eléctrico muestra una tendencia a los equipos de proceso y refrigeración (siendo un 74,9% del consumo total), lo que indicó las dos zonas donde más se debe centrar la atención al momento de suministrar el fluido eléctrico por parte del sistema de cogeneración. A partir de la caracterización se obtienen datos de consumo eléctrico de todas las áreas con un pico máximo de 727641 kWh/mes.

La demanda de vapor en cada uno de los procesos se divide en dos principales; una a presión de 3 bares con un flujo másico de 2585 kg/h y otra a 7 bares y 425

kg/h, resultando una cantidad de calor necesaria para generar el vapor del proceso de 2000,3 kW.

3.3. Implementación del sistema de cogeneración mediante la tecnología Pinch

Teniendo en cuenta los consumos eléctrico y de calor de la industria láctea, se ve la necesidad de implementar un sistema de ahorro energético que disminuya esta demanda y a su vez disminuya la contaminación ambiental (Rodríguez, 2006). Este sistema debe tener una fuente motriz que solo utilice una fuente de energía primaria que supla toda la necesidad tanto eléctrica como de calor en toda la planta (Borroto y Monteagudo, 2006).

La integración energética implementada está asociada a una metodología particular de la industria láctea seleccionada, que se rige por los pasos a desarrollar en el sigu iente orden:

· Criterios de evaluación técnica· Razón calor/electricidad (Martin, 2005).· Curvas demanda eléctrica y térmica (CONAE, 1999).· Calidad del vapor requerido.· Disponibilidad, consumo y costos del combustible.· Selección unidad motriz del sistema cogenerador (Misa et al., 2007).· Diseño térmico de equipo de intercambio de calor con cambio de fase.· Implementación de tecnología del Pinch Point.


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Desarrollando los pasos se obtiene:

· Criterios de evaluación técnica:

· Razón Q/E:

817,1458,110033,2000

==kWkW

EQ

Donde EQ es el cociente entre el flujo de energía

térmica y el flujo de energía eléctrica.

· Curvas de demanda eléctrica y térmica, las cuales ya se establecieron en la caracterización energética.

· Calidad del vapor requerido, como especificaciones de la temperatura y presiones del vapor, así como determinación del tipo de vapor (de baja o de alta) en el diagrama temperatura vs. entropía y/o el de Mollier. La temperatura de entrada del agua al intercambiador de calor estará alrededor de los 80ºC y deberá tener una presión de 7 bar como máximo. Con lo que su temperatura de saturación a esa presión es de 165ºC y tendrá cambio de fase hasta vapor saturado o vapor de baja.

· Disponibilidad y costo del combustible seleccionado. Actualmente la industria láctea seleccionada

cuenta con dos calderas de 150 y 400 BHP, para satisfacer sus requerimientos de vapor, funcionando con gas natural lo que pone de manifiesto que el combustible seleccionado está disponible y con un costo de 280$/m3.

Con el valor de relación de Q/E los más indicados son los motores alternativos que se caracterizan por una reducida razón que fluctúa alrededor de 1, y con valores máximos de 3; lo que los hace adecuados para instalaciones de pequeño tamaño (Campos y Cervera, 2004).

Con los parámetros anteriores se tienen dos opciones para plantas eléctricas de motores diesel duales (a diesel o a gas natural), una es de marca alemana (Deutz) y la otra es Caterpillar, la cual se escoge por poseer sedes en Colombia haciendo más fácil su adquisición y mantenimiento, por lo tanto se determinó un motor con las siguientes características: Motor Caterpillar G3608 TA 130 LE con una potencia eléctrica de 1430 kWh de potencia de línea instantánea, voltaje de 480 V, presión mínima de aire de entrada 45 Psi, consumo de combustible al 100% de la carga 6660 Btu/Hp-h, tasa de flujo de gases de salida 12849 cfm (6.065 m3/min), y temperatura de gases residuales de salida de 448ºC. Los datos anteriores se aprecian en la Tabla 3.

Tabla 3Tabla técnica del motor Caterpillar G3608

Fuente: Caterpillar (2012).


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Este motor eléctrico genera una potencia bruta de 1430 kW que es mayor que la necesaria para el consumo que es de 1100,58 kW.

También se cumple la condición de que el valor del calor de los gases residuales (2157,92 kWt) es mayor al que se necesita para conseguir vapor de baja (2000 kWt), como VAPORTérmico QQ > entonces se cumple y se pueden utilizar los gases de escape para producir el vapor necesario.

Se realizó el análisis exergético y el análisis termo económico, para generar las gráficas con las siguientes ecuaciones (Orozco et al., 2010):

Costo exergético = Costos de gas + Costos de agua + Costos gases intercambiador.Costo capital total = Costo motor + Costo de intercambiador.Costo instalación = Costo exergético + Costo capital total.

Figura 5. Valor del Pinch Point (ºC) vs. costo del área de intercambio de calor (m²) para diferentes valores de U.

La Figura 5 representa la proyección hacia el infinito del costo del área de intercambio de calor (eje “y”) a medida que el valor del punto Pinch se hace más pequeño (eje “x”). En la cual se observó que

entre más pequeño es el punto Pinch se necesita un intercambiador de calor más grande por el aumento de área.

Figura 6. Valor del Pinch Point (ºC) vs. costo de gases residuales que salen del intercambiador de calor exegéticamente.


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La Figura 6 representa el modelado de la tendencia de los costos de gases de desecho del intercambiador de calor en función del punto Pinch. De este modo, se necesita encontrar el valor óptimo exergético entre los ahorros de inversión de capital (costo de intercambiador) y ahorros de recursos

energéticos (costos de operación). De este modo, se grafica el costo de la integración de energía (costos energético total) vs. punto Pinch, costos capital vs. punto Pinch, y costos total instalación vs. punto Pinch (Rosen et al., 2004).

Figura 7. Relaciones de costos vs. Pinch Point para diferentes U.

La Figura 7 muestra claramente que el valor de integración energética es óptimo donde el valor del punto Pinch es de 27ºC con Ffthr

BtuU°

= 2.34 porque es donde

se encuentra valor mínimo de los costos; y cuando diseñamos los intercambiadores el único U donde:

odiseprueba UU ñ≥ es Ffthr

BtuU°

= 2.34

Por lo tanto el valor que se escoge entre el valor del Pinch Point energético y exergético es el exergético, porque es más conservador debido a que tiene en cuenta las pérdidas en el proceso. Diseñando el intercambiador se obtuvo un valor del coeficiente global de transferencia de calor.

FfthrBtu

KmwU 22 .

0071.340926.193 ==

Con la selección del motor diesel a gas natural modelo Cat 3608 y el diseño térmico del equipo de intercambio de calor completo, la integración energética satisfará las dos demandas energéticas. Por lo tanto quedó un sistema unifiliar de vapor y condensado mostrado en la Figura 8.

Por lo tanto se obtuvo la Tabla 4. En las Figuras 9 y 10 se hace una comparación de la energía y la exergía.


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Figura 8. Esquema unifiliar de vapor y condensado sugerido incorporando el motor y el intercambiador de calor.

Tabla 4Comparación entre energía y exergía

PUNTOS Energía (kWt) Exergía (kWt)1 4504,01 3601,392 2479,23 1252,023 654,82 215,424 316,88 13,555 1727,65 1018,17

Pot. eléctrica 1430 1430Pérdidas del motor 594,78 919,37

Pérdidas del intercambiador 413,63 31,98

Figura 9. Diagrama de Sankey (energía).


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Figura 10. Diagrama de Grassman (exergía).

Figura 11. Eficiencia del sistema actual.

Figura 12. Eficiencia del sistema de cogeneración proyectado.


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En las Figuras 11 y 12 se observa claramente la ventaja de utilizar un sistema de cogeneración porque se logra aumentar la eficiencia del sistema en un 43,82%.

4. Conclusiones

Con la caracterización energética se determinaron los valores de los consumos energéticos (vapor y electricidad) de la planta estableciendo que los equipos de procesos, refrigeración y aire acondicionado son los mayores puntos de consumo significando 89,1% de energía eléctrica. Esto indica que son los sectores más importantes para abastecer energéticamente y que su demanda, tanto en gas natural como en electricidad, aumenta drásticamente desde mayo y se mantiene constante hasta diciembre.

A partir de la caracterización se establecieron los parámetros para la selección de la unidad motriz, tales como: la razón calor/electricidad, lo que arrojó que la tecnología más acertada es la de un motor alternativo CAT 3608.

Se diseñó térmicamente el equipo de recuperación de calor utilizando la tecnología Pinch, la cual establece, según la práctica, un delta de temperatura (Pinch) menor a 70ºC para este tipo de aplicaciones energéticas. Utilizando un método de optimización (Figura 6) arrojó que el punto de menor pérdidas económicas es de 27ºC.

Gracias a la metodología diseñada, el sistema de cogeneración establecido tendrá un gran impacto energético y económico debido a que el sistema convencional maneja una eficiencia energética del orden de 37% y el sistema de cogeneración propuesto del 80,1%; en cuanto al consumo energético primario (gas natural) este se reduce en un 30% con una reducción del costo del kWh en un 50%.

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