FACTIBILIDAD DEL USO DE LA REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN EN EL COMBINADO LÁCTEO DE CUMANAYAGUA

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1 FACTIBILIDAD DEL USO DE LA REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN EN EL COMBINADO LÁCTEO DE CUMANAYAGUA Dr. Leonel Martínez Díaz, M.Sc. Sergio Montelier Hernández, Dr. Juan Castellanos Álvarez Universidad de Cienfuegos. Cuba RESUMEN Partiendo de la posibilidad de disminuir los costos de explotación por concepto de consumo de energía eléctrica y mejorar el impacto medio ambiental, en el presente trabajo se aborda un estudio de la factibilidad del uso de la Refrigeración por Absorción (RA) en la empresa de Productos Lácteos Escambray. Para cumplir los objetivos trazados se realiza el cálculo de la disponibilidad de dos posibles fuentes energéticas a emplear: vapor y gases residuales. Para el caso del vapor fue necesario determinar el consumo en los diferentes equipos del proceso tecnológico. También a partir de la potencia frigorífica necesaria y otros datos para el diseño se calcula el esquema del sistema de RA. Por último, se ofrece un análisis de factibilidad económica y ambiental que permite valorar la posible utilización del sistema.

2 FACTIBILIDAD DEL USO DE LA REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN EN EL COMBINADO LÁCTEO DE CUMANAYAGUA Dr. Leonel Martínez Díaz, M.Sc. Sergio Montelier Hernández, Dr. Juan Castellanos Álvarez Universidad de Cienfuegos. Cuba RESUMEN Partiendo de la posibilidad de disminuir los costos de explotación por concepto de consumo de energía eléctrica y mejorar el impacto medio ambiental, en el presente trabajo se aborda un estudio de la factibilidad del uso de la Refrigeración por Absorción (RA) en la empresa de Productos Lácteos Escambray. Para cumplir los objetivos trazados se realiza el cálculo de la disponibilidad de dos posibles fuentes energéticas a emplear: vapor y gases residuales. Para el caso del vapor fue necesario determinar el consumo en los diferentes equipos del proceso tecnológico. También a partir de la potencia frigorífica necesaria y otros datos para el diseño se calcula el esquema del sistema de RA. Por último, se ofrece un análisis de factibilidad económica y ambiental que permite valorar la posible utilización del sistema.

3 Introducción El cada vez más acelerado desarrollo tecnológico unido a las crecientes necesidades de la población mundial han conducido a un desenfrenado e irracional uso de los recursos energéticos. La manera en que la sociedad utiliza la tecnología para producir y consumir la energía, es responsable de los problemas ambientales más importantes. La lluvia ácida, el daño a la capa de ozono, la contaminación y el efecto invernadero son resultado de la utilización de tecnologías inadecuadas y de una fuerte dependencia de los combustibles fósiles. (1) Dentro de los sistemas altamente consumidores de energía eléctrica se encuentran los sistemas de Refrigeración y Climatización. En un gran número de empresas estos sistemas consumen un 4-7 % del consumo total de energía eléctrica. Los Sistemas de Refrigeración y Acondicionamiento de Aire principalmente los de compresión, son una ironía técnica, pues envían más calor al planeta que frío a las necesidades de las personas (11). Esto supone que si seguimos utilizando los sistemas convencionales continuará el acelerado calentamiento del planeta, así como el deterioro de la capa de ozono tan necesaria para la existencia de la vida en la tierra. La empresa de productos lácteos Escambray de Cumanayagua, provincia de Cienfuegos, se ubica dentro de las industrias altamente consumidora de energía eléctrica. Sobre este indicador la incidencia fundamental lo tienen los diferentes equipos del Sistema de Refrigeración por Compresión de Vapor, fundamentalmente los compresores de amoniaco, elementos vitales en el ciclo. Teniendo en cuenta lo anterior en este trabajo se desarrolla un análisis preliminar para determinar posibilidad de emplear la refrigeración por absorción utilizando diferentes fuentes energéticas alternativas. Desarrollo. Sistema de refrigeración empleado en la Empresa. El sistema de refrigeración utilizado en la empresa es el sistema de refrigeración por compresión de vapor, utilizando como refrigerante el amoníaco. Los consumos de energía eléctrica para satisfacer las demandas de potencia frigorífica en cada planta son los siguientes: Planta de Helado: 7 Kw.- h/ día

4 Introducción El cada vez más acelerado desarrollo tecnológico unido a las crecientes necesidades de la población mundial han conducido a un desenfrenado e irracional uso de los recursos energéticos. La manera en que la sociedad utiliza la tecnología para producir y consumir la energía, es responsable de los problemas ambientales más importantes. La lluvia ácida, el daño a la capa de ozono, la contaminación y el efecto invernadero son resultado de la utilización de tecnologías inadecuadas y de una fuerte dependencia de los combustibles fósiles. (1) Dentro de los sistemas altamente consumidores de energía eléctrica se encuentran los sistemas de Refrigeración y Climatización. En un gran número de empresas estos sistemas consumen un 4-7 % del consumo total de energía eléctrica. Los Sistemas de Refrigeración y Acondicionamiento de Aire principalmente los de compresión, son una ironía técnica, pues envían más calor al planeta que frío a las necesidades de las personas (11). Esto supone que si seguimos utilizando los sistemas convencionales continuará el acelerado calentamiento del planeta, así como el deterioro de la capa de ozono tan necesaria para la existencia de la vida en la tierra. La empresa de productos lácteos Escambray de Cumanayagua, provincia de Cienfuegos, se ubica dentro de las industrias altamente consumidora de energía eléctrica. Sobre este indicador la incidencia fundamental lo tienen los diferentes equipos del Sistema de Refrigeración por Compresión de Vapor, fundamentalmente los compresores de amoniaco, elementos vitales en el ciclo. Teniendo en cuenta lo anterior en este trabajo se desarrolla un análisis preliminar para determinar posibilidad de emplear la refrigeración por absorción utilizando diferentes fuentes energéticas alternativas. Desarrollo. Sistema de refrigeración empleado en la Empresa. El sistema de refrigeración utilizado en la empresa es el sistema de refrigeración por compresión de vapor, utilizando como refrigerante el amoníaco. Los consumos de energía eléctrica para satisfacer las demandas de potencia frigorífica en cada planta son los siguientes: Planta de Helado: 7 Kw.- h/ día

5 Plantas Pasteurizadora y Queso : 4944 Kw.- h / día La Refrigeración por absorción que es la variante que se analizará puede ser una alternativa energético- ambiental a emplear en esta fabrica debido a los altos consumos de energía eléctrica. El análisis de factibilidad se realiza teniendo en cuenta los posibles potenciales de energía térmica necesarios para el funcionamiento de una máquina de absorción y partiendo de dos fuentes térmicas de energía existentes en el Combinado Lácteo Escambray. Cálculo del sistema de Refrigeración por Absorción. Tomaremos como base el diagrama equivalente de la figura 1 y el grafico de concentración (x) entalpía ( i ) para el amoniaco() En el Diagrama: I. Válvula de expansión II. Evaporador III. Absorbedor IV. Bomba V. Intercambiador VI. Vaporizador VII. Generador VIII. Condensador.

6 Figura 1. Diagrama equivalente. IX I 1 NH Líquido - q1 VIII vapor NH II q medio a refrigerar III agua de refrigerar IV - qa - Wb 7 9 Solución débil Solución fuerte 4 V 6 VII Vapor de agua qs VI El cálculo se realizara solo para la potencia frigorífica de la Planta de queso. 1. Potencia frigorífica: Qo 95, 5Kw ( TR ) Kw. / h.. Temperatura del agua de enfriamiento: taenf C. Temperatura de evaporación: tevap C 4. Efectividad térmica del condensador: ε, 6 ( ) Suposiciones: Concentración del amoníaco en la solución fuerte es 95 % del valor que corresponde al equilibrio. Temperatura del agua a la salida del condensador.( tacs ): 5 Temperatura del agua a la entrada del condensador. (tace ): C

7 Temperatura de condensación. condensador(.6) tc C Teniendo en cuenta la efectividad del 1. Cálculo del esquema. (Diagrama equivalente) Caracterización de los diferentes puntos del diagrama. 1. Presión de la corriente 1: Considerando presión de equilibrio del líquido con un contenido de 99,5 % de amoníaco y tc C. p 1c 14, 5 f (Presión de condensación) cm i 15 Kcal 1. Presión corriente : Presión de equilibrio del vapor saturado contenido 99,5 % de amoníaco y t C, se tiene p 4 f y cm i 41 Kcal. Flujo de corriente : (m ) (que es igual al flujo m 1 ) m 1 Qo. ( i i ) Kcal m h 1. 7 Kcal s. Estado del líquido en la solución fuerte. Salida del absorbedor. Se considera contenido de amoníaco en líquido: 95 %, la temperatura de la solución aproximadamente a 7 o C por encima de la temperatura del agua de enfriamiento t C. Para ésta

8 temperatura y p 4 f se obtiene: X,47 95%, 4465 y cm i Kcal Flujo de la corriente : Flujo másico m m1 + m7 También el balance para el amoniaco: m x m7 X 7 + m1 X 1, se considera que X 7, A partir de las ecuaciones anteriores: m 1. 6 m s 7. 7 s 4. Trabajo realizado por la bomba.. La potencia útil se calcula como m p m p Nu, δ sol,6 (Propiedades amoníaco- ρ ρh O δsol agua) p 19 Pa 1, 9 MPa 1.6 1,9 1 Nu 1. 69Kw,6 1 Potencia demandada ( Nm ): Considerando η b, 5 Nu 6,5 Nm 1. 49Kw η b,5 Incremento de entalpía del fluido en la bomba:

9 ( kcal ) kcal h Kw Nu ib h s m h s h ib.6kcal 5. Condiciones en el punto 6. Estado de la solución débil a la salida del generador. Con tg 14 C y pc 14,5 f se obtiene que: cm X 6, y i 17 kcal 6 6. Estado de la solución débil después del intercambiador de calor. Punto 7. Con X 7 X 6, y pevap 4 f se obtiene: cm t7 5 C y i 65 kcal 7 7. Estado de la solución después de la bomba. Punto 4. X 4 X,45 t t C pc , 5 f i i ib kcal 4 +. cm. Estado de la solución fuerte después intercambiador de calor. alrededor Fig. 5.Balance de energía

10 calor. del intercambiador de m + +, 4i4 m6i6 m5i5 m7i7 m7i7 m6i6 de donde: m4i4 m5i5 m m m y s m m s De lo anterior teniendo en cuenta los valores de entalpía se obtiene: i 6 kcal 5 Con i 6 kcal 5 y pc 14, 5 f, se obtiene: ( X 5, 45 y t5 C ) 9. Estado de salida a la salida del generador. Punto. Con X, 99 y pc 14,5 f cm, se obtiene: i 4 kcal y t C 7 1. Estado de la corriente 9. El flujo de la corriente 9 viene definida por la relación específica de reflujo y m m9 + m1

11 Peso de la corriente 9 Consideración:, 5 Peso de la corriente 1 Se tiene que: m 1, 5m1 11. Calor absorbido en el generador. ( q ) q q q m i + m i 6 6 1kcal s 9kw m i 5 5 m i 9 9 Este valor es la potencia que se necesita en el generador para que el sistema de RA funcione y satisfaga las necesidades de refrigeración de la planta de queso... - Posible fuentes de energía alternativa en la empresa. Las posibles fuentes de energía analizadas: a. Vapor de agua de baja presión. b. Gases residuales de la combustión. Variante 1. Fuente de energía térmica: vapor de agua. Cálculo de la necesidad de vapor El vapor que se emplea es vapor saturado a 5 f p, y t 15 C. El calor de cm vaporización es c vap 54, kcal. El flujo de la fuente térmica (vapor) al generador es entonces: G G vapor vapor kcal q 1. s c kcal vap 54, 151 h.4 s

12 Cálculo de la disponibilidad Para calcular la disponibilidad se parte del cálculo de los consumos que de ésta fuente térmica existen en las diferentes Plantas. Consumo de Vapor para las distintas plantas. El resultado del cálculo del consumo de vapor para cada una de las plantas se ofrece en la siguiente tabla. Tabla. 1. Consumo total (Cv)de las plantas : Planta Consumo( Kg./ h) Pasterizadora 155 Queso 67 Soya Total ( Cv ) 4 La caldera produce un flujo total ( Pv ) de 4 /h, por lo que teniendo en cuenta el consumo total tendremos un flujo disponible de vapor (Dv ) de : Dv Pv Cv Kg. /h La disponibilidad de vapor (.976 ton / h) no satisface totalmente la necesidad de flujo en el generador (1.5 ton /h), para poder cubrir toda la potencia frigorífica demandada por lo que a continuación se calcula que potencia frigorífica se puede satisfacer con el flujo disponible. Flujo de vapor disponible ( Dv ) 976 Kg /h.7 Kg. / s. En el cálculo del esquema de la maquina se planteó que: G vapor q c vap Sustituyendo el valor del flujo de vapor disponible en la ecuación anterior se obtiene: q kw Con este valor, la ecuación de balance de energía en el generador q mi + m6i6 m5i5 m9i9

13 Y las relaciones de flujos másicos que se pueden obtener en este caso: m 1.5 m 1, m 9.5 m 1 m 6.5 m 1 m 5.5 m 1 Se llega a: m 1.1 Kg. /s. A partir de este valor y la ecuación: m 1 ( i i ) Qo 1 Se obtiene: Q 6.49 Kcal./ s 5.75 Kw. 7 TR. Este valor corresponde a un 6 % de la potencia frigorífica necesaria. Este resultado permite corroborar la posibilidad del empleo de un sistema de absorción Variante. Fuente de energía térmica: gases de escape, combustión Fuel-oil. Para determinar la disponibilidad de energía térmica a partir de gases de salida de la caldera es necesario determinar los volúmenes de gases producto de la combustión y para ello empleando metodología convencional se obtiene : Volumen de gases( Vg ) 1.56 m / ; Densidad (ρ ) 96 Kg/m El consumo de combustible de la caldera es: Bc 5 l,15m., día h equivalente a.775 Kg. / s. Para el caso mas critico que no es significativamente diferente de los demás : Vg 1.56 m /Kg. (Volumen de gases) La densidad de los gases es ρ 1.14 Kg/m. Por lo que el flujo de gases es de: mg.676 Kg./s. Cálculo de la potencia frigorífica producida mediante gases de escape. Para ello se emplean según ASHRAE la ecuación para calcular la potencia frigorífica ( Q o ) :

14 Q o mg Cp 1 ( t t ) COP ηc donde: mg - flujo de gases, Kg. /s., t 1 - temperatura de salida de gases de la chimenea (entrada al generador)., t - temperatura de salida de los gases del generador., COP - rendimiento del ciclo. ηc - rendimiento del sistema de conductos. Cp - calor específico de los gases.

15 kj Cp 1, 1, t C K 1 15, t 19 C, COP 1, 14 y η c, 97 Según ( 6 ) Nota: se considera un t 5 C Teniendo en cuenta lo anterior: ( ) 1,14,97c,Kw 5, TR Q o,676 1,1 9 De los resultados anteriores se puede plantear que es factible técnicamente producir con vapor el 6 % de la capacidad de refrigeración de la planta de queso. Con gases no es representativa la producción (6 TR),.4- Factibilidad económica. Considerando que pueda ser sustituido el 1 % de la capacidad de frío de la planta de queso lo cual es factible pues los consumos reales de vapor son menores que los calculados, tratando también de utilizar la fuente energética que puede brindar el generador de vapor de planta de helado no analizado en este trabajo. Solo se tendrá en cuenta los costos por operación debido a los consumos de energía. No se tiene información de costos de inversión solo se conoce que el costo de inversión de una instalación de absorción es alrededor de 1,7 veces superior a la de una de compresión de vapores para una misma capacidad, pero la diferencia en costos operacionales es elevada a favor del sistema de RA. Acorde a los resultados obtenidos en la siguiente tabla se muestra el resumen del análisis comparativo. Se consideró un año de días, y la energía eléctrica consumida para el caso de absorción está por encima de la realidad pues se ha considerado que se utilizarían las dos bombas de Kw del sistema actual de agua de la torre de enfriamiento. No. Parámetro Refrigeración por Compresión de Vapore( RCV ) Refrigeración por Absorción( RA ) 1 Potencia térmica

16 demandada Horas operación ( h/ año ) Potencia eléctrica consumida ( Kw. h / año ) 4 Tarifa $ / Kw. h Costo energía eléctrica $/ año 6 Ahorro operativo anual ($/ año ) Observar el valor de ahorro por concepto operacional (9 4. $/ año) y la diferencia en potencia eléctrica consumida. En realidad ambos valores son mucho mayores pues el consumo de potencia eléctrica de un sistema de absorción es de alrededor de un 7 % de la potencia consumida por un sistema de compresión de vapores y en esta caso da un valor de 4 %..5- Factibilidad ambiental. El Total equivalent warning impact (TEWI) ó Impacto Global Total se calcula según (): TEWI Ed + Ei, Donde: Ed - efecto directo. Ei - efecto indirecto. Como ambos sistemas, de compresión de vapores y RA, usan el NH el efecto directo ( Ed ). es nulo. El efecto indirecto ( Ei ): ( ) CO Kwh Ei Nop e CO año e co.94 Kg. / Kwh. Según normas internacionales de medio ambiente Sistema de compresión de vapor

17 Kwh 6 6 Kwh CO Nop ; Ei 1.6 1, CV año año Kwh Sistema RA Kwh Nop 95 año El valor anterior incluye la potencia de las bombas de flujo de solución 6 Kg CO año NH + H O y dos de agua de la torre de enfriamiento muy superiores a las que un sistema de esta capacidad necesita. Ei RA Kwh CO Kg 95, año Kwh CO año Entonces: EI C V EI RA CO año Se observa un alto efecto positivo sobre el medio ambiente al emplear RA. CONCLUSIONES 1. El cálculo del ciclo por absorción demuestra el bajo consumo de energía eléctrica por concepto de bombeo de la solución. En este caso solo se demanda del motor eléctrico una potencia de 1.49 Kw. para hacer circular la solución amoniacal por el sistema.. La disponibilidad del vapor según cálculos satisface el 6 % de la carga frigorífica de la planta de queso.. Es considerable el ahorro operativo anual por concepto de emplear un sistema de RA, por lo que donde existan apreciables fuentes de energía residual o disponible se puede introducir. 4. Como estudio preliminar no antes realizado en el sector industrial cubano, los resultados obtenidos son alentadores y demuestra que con los potenciales de

18 energía residual que existen en muchas industrias se puede introducir el sistema de RA con las consiguientes ventajas desde el punto de vista de costos operacionales e impacto medio ambiental. 5. Un aporte importante de la RA es su contribución favorable al medio ambiente. En caso de que el sistema de refrigeración actual de la planta de queso se sustituya por uno de absorción se dejarían de emanar al medio ambiente en un año Toneladas de CO, un impacto positivo en los momentos actuales donde se requiere una gran protección ambiental del planeta. 6. Otro potencial de energía que debe ser objeto de análisis es la energía solar la cual puede generar considerables cargas de refrigeración. Esta solución de pequeñas maquinas de absorción (Menos de 5 TR) con vistas a la climatización se esta empleando mucho en países con altos potenciales de energía solar y Cuba clasifica dentro de ellos. 7. Una alternativa que también puede generar grandes beneficios es la llamada TRIGENERACIÓN, o sea una planta de cogeneración asociada a una maquina de absorción Esta alternativa hoy día se esta empleando en sectores industriales de diferentes partes del mundo. RECOMENDACIONES. 1. Continuar este trabajo en el Combinado lácteo y extenderlo a demás empresas del sector industrial y de los servicios.. Que sirva este trabajo como un instrumento para incentivar a especialistas en esta temática en aras de aprovechar los potenciales de energía residual y/o disponible y así contribuir a la rentabilidad de las empresas y al tan necesario decremento de la contaminación del medio ambiente. BIBLIOGRAFÍA 1. Barbosa, S. Diseño de un sistema solar experimental para calentamiento de agua. Tomado de: Bassols, Juan. Trigeneración con Plantas de absorción con amoníaco. Tomado de:

19 . Cano, José María. Refrigeración por Absorción. Tomado de: Chang, Angel. Cálculo de una instalación de absorción utilizando amoníacoagua/angel Chang. URSS: [S.N], p. 5. Dorgan, Chad. Aplication Guide for absortion cooling and refrigeration using recovered heat.ahsrae Journal (Georgia) Vol 4, 1: 1-5p Dumais, R. Ammonia Refrigeration techicians asociation. Tomado de: 7. Martínez, L. El uso de las Fuentes residuals térmicas en la industria azucarera. Tomado de: Stoecker, W.Refrigeración y acondicionamiento de aire/ W Stoecker--Habana: edición revolucionaria, p. 9. Velásquez, N. Análisis de la factibilidad térmica económica de los sistemas de captación solar para su aplicación en sistemas de absorción con fuente de energía híbrida. Tomado de: Villanueva, J.Máquinas refrigeradoras por absorción de baja potencia. Tomado de: Petit Jean, Miguel, Optimización de los costos exergoeconómico ambientales de sistemas de refrigeración por absorción. Tesis en opción al grado científico de Doctor en ciencias Técnicas.UCLV- Universidad de Veracruz. 4.