Evaluación económica y técnica de la implementación de ...
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Evaluación económica y técnica de la implementación de sistemas de cogeneración en la industria ladrillera en Colombia Myriam Nataly Chamorro Unigarro Proyecto de Grado Profesor Asesor Andrés Leonardo González Mancera, PhD, MSc. Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Bogotá D.C. Colombia Diciembre 2019
Transcript of Evaluación económica y técnica de la implementación de ...
Evaluación económica y técnica de la implementación de sistemas de cogeneración en la industria ladrillera en Colombia
Myriam Nataly Chamorro Unigarro
Proyecto de Grado
Profesor Asesor Andrés Leonardo González Mancera, PhD, MSc.
Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica Bogotá D.C. Colombia
Diciembre 2019
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AGRADECIMIENTOS
A Dios por permitirme llegar hasta este punto en mi vida.
A mis padres y a mi familia por su apoyo y amor incondicional.
Al profesor Andrés González por permitirme desarrollar este proyecto y por su apoyo y asesoramiento
permanentes para la realización exitosa de este trabajo.
pg. 3
TABLA DE CONTENIDOS Nomenclatura ................................................................................................................................................ 4
Índice de Tablas ............................................................................................................................................. 5
Índice de Figuras ............................................................................................................................................ 6
Índice de Anexos ........................................................................................................................................... 6
1. Introducción .......................................................................................................................................... 7
1.1. Contexto ........................................................................................................................................ 7
1.2. Descripción del problema............................................................................................................ 10
1.3. Caracterización Ladrillera de estudio .......................................................................................... 10
2. Objetivos ............................................................................................................................................. 19
2.1. General ........................................................................................................................................ 19
2.2. Específicos ................................................................................................................................... 19
3. Metodología del proyecto ................................................................................................................... 20
4. Marco teórico ...................................................................................................................................... 21
Las fuentes de energía a nivel mundial ................................................................................................... 21
Cogeneración ........................................................................................................................................... 23
Transferencia de calor ............................................................................................................................. 29
Proceso de selección de la mejor alternativa.......................................................................................... 30
LCOE ........................................................................................................................................................ 32
5. Simulación y Resultados ...................................................................................................................... 34
Selección de sistemas de cogeneración .................................................................................................. 34
Selección de fluidos de trabajo ............................................................................................................... 35
Especificaciones de diseño ...................................................................................................................... 36
Simulación ............................................................................................................................................... 38
LCOE ........................................................................................................................................................ 40
6. Evaluación ........................................................................................................................................... 42
7. Conclusiones ........................................................................................................................................ 45
Posibles extensiones o trabajos futuros ...................................................................................................... 46
Bibliografía................................................................................................................................................... 47
ANEXOS ....................................................................................................................................................... 50
ANEXO 1. Tipos de hornos en Colombia ................................................................................................. 50
ANEXO 2. Cálculos detallados AHP para elegir la mejor opción en la solución ...................................... 50
ANEXO 3. Código EES ............................................................................................................................... 51
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NOMENCLATURA Símbolo Unidades
�̇�′′ Flujo de calor por unidad de área [𝑊/𝑚2]
�̇� Flujo de calor [𝑘𝑊] 𝑇𝑒𝑥𝑡 Temperatura de la pared externa [°C] 𝑇𝑖𝑛 Temperatura de la pared interna [°C]
�̇� Potencia [𝑘𝑊] �̇� Flujo másico [𝑘𝑔/𝑠] h Entalpía [𝑘𝐽/𝑘𝑔] Q Caudal [𝑚3/𝑠] 𝐴 Área [𝑚2] 𝐷 Diámetro [𝑚] 𝐸 Energía [𝑘𝑊ℎ] 𝐿 Longitud [𝑚] 𝑃 Presión [𝑃𝑎] 𝑉 Velocidad [𝑚/𝑠] 𝑘 Conductividad térmica [𝑊/𝑚𝐾] 𝜂 Eficiencia - 𝜌 Densidad [𝑘𝑔/𝑚3 ]
ORC Organic Rankine cycle SRC Steam Rankine cycle CHP Combined heat and power F.P. Factor de planta
LCOE Levelized cost of energy COP Moneda colombiana USD Moneda estadounidense EU Euro
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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Productores de ladrillos en Latinoamérica (Tomado de [28]) ......................................................... 7
Tabla 2. Clasificación industria ladrillera (Datos tomados de [15]) ............................................................... 8
Tabla 3. Proceso productivo del ladrillo en Colombia para una industria mediana (Inspirada en [29]) ....... 8
Tabla 4. Energía requerida en Las etapas del proceso productivo del Ladrillo (Datos Tomados de [5]) ...... 9
Tabla 5. Emisiones de la industria ladrillera, mostrada por zonas del país.(Tomada de [12]) .................... 10
Tabla 6. Proceso productivo característico ladrillera Tablegres S.A.S ........................................................ 11
Tabla 7. Etapas del proceso productivo que consumen energía eléctrica en la ladrillera Tablegres ......... 16
Tabla 8. Datos relevantes para la determinación del rendimiento energético .......................................... 18
Tabla 9. Clasificación de los tipos de energía según su fuente. (Inspirada en [17]) .................................... 21
Tabla 10. Ventajas y desventajas de los sistemas de cogeneración (Datos tomados de [25]) ................... 24
Tabla 11. Procesos del ciclo Rankine ideal simple (Tomado de [10]) ......................................................... 25
Tabla 12. Pasos para la realización del AHP. (Tomado de [24]) .................................................................. 30
Tabla 13. Juicios del AHP. (Tomado de [24]) ............................................................................................... 31
Tabla 14. Matriz de comparación de alternativas (relativas C1) ................................................................. 31
Tabla 15. Matriz de comparación normalizada ........................................................................................... 32
Tabla 16. Matriz de resultados .................................................................................................................... 32
Tabla 17. Matriz de resultados generales ................................................................................................... 32
Tabla 18. Criterios de evaluación ................................................................................................................ 34
Tabla 19. Propiedades de los fluidos de trabajo seleccionados (Datos tomados de [6]–[8], [22]) ............. 36
Tabla 20. Propiedades ambientales de los fluidos seleccionados (Tomado de [19], [22]) ......................... 36
Tabla 21. Referencias comerciales elementos. Parte 1 ............................................................................... 36
Tabla 22. Referencias comerciales elementos. Parte 2 ............................................................................... 36
Tabla 23. Referencias comerciales tubería seleccionada (Link 1) ............................................................... 36
Tabla 24. Accesorios para la solución propuesta ........................................................................................ 37
Tabla 25. Estimación datos tubería necesaria ............................................................................................. 38
Tabla 26. Datos obtenidos con la simulación en EES .................................................................................. 39
Tabla 27. Potencia eléctrica entregada para cada uno de los fluidos de trabajo ....................................... 39
Tabla 28. Energía eléctrica disponible para cada uno de los fluidos de trabajo ......................................... 39
Tabla 29. Datos de inversión para la solución diseñada ............................................................................. 41
Tabla 30. Datos de LCOE obtenidos para la solución .................................................................................. 41
Tabla 31. Peso para cada uno de los criterios de análisis ........................................................................... 44
Tabla 32. Matriz de comparación para los fluidos de trabajo seleccionados ............................................. 44
Tabla 33. Tipos de hornos en Colombia (Tomado de [12] ......................................................................... 50
Tabla 34. Matriz de comparación para las alternativas teniendo en cuenta el criterio de propiedades ... 50
Tabla 35. Matriz de comparación para las alternativas teniendo en cuenta el criterio de aspectos
comerciales.................................................................................................................................................. 50
Tabla 36. Matriz de comparación para las alternativas teniendo en cuenta el criterio de aspectos
operacionales 1 ........................................................................................................................................... 50
Tabla 37. Matriz de comparación para las alternativas teniendo en cuenta el criterio de aspectos
operacionales 2 (LCOE) ................................................................................................................................ 50
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Tabla 38. Matriz de comparación para las alternativas teniendo en cuenta el criterio de aspectos
ambientales ................................................................................................................................................. 51
Tabla 39. Índices de consistencia ................................................................................................................ 51
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Esquema general horno/cámara de secado ................................................................................. 11
Figura 2. Esquema vagoneta sin carga y rieles. ........................................................................................... 12
Figura 3. Vagonetas transporte de ladrillo. De izquierda a derecha: Mitad de carga para una vagoneta,
Vagoneta cargada ingresando al horno. ..................................................................................................... 12
Figura 4. Esquema general de temperaturas horno ................................................................................... 12
Figura 5. Temperaturas pared externa horno. Ubicaciones 18 y 19 ........................................................... 13
Figura 6. Temperaturas pared superior externa horno Ubicaciones 18 y 19 ............................................. 14
Figura 7. Temperaturas carga de ladrillo recién salida del horno ............................................................... 14
Figura 8. Temperaturas pared superior horno y extractor de calor. Ubicación 25. .................................... 15
Figura 9. Temperatura de los gases de salida posiciones finales horno (Las temperaturas exteriores están
en °C y las interiores en °F) .......................................................................................................................... 15
Figura 10. Temperaturas pared externa horno. Ubicaciones 25-30 ........................................................... 16
Figura 11. Esquema transferencia de calor por conducción paredes laterales horno ................................ 17
Figura 12. Esquema transferencia de calor por conducción en la pared superior del horno ..................... 17
Figura 13. Consumo mundial de energía 2018 (equivalente a millones de toneladas de petróleo). Tomada
de [4] ........................................................................................................................................................... 22
Figura 14. Consumo porcentual regional de combustibles 2018 Tomada de [4] ...................................... 22
Figura 15. Balance energético colombiano 2015. (KTEP/año). Tomada de [14]. ........................................ 23
Figura 16.Diagrama de sistemas de generación de energía (𝐓𝐟𝐮𝐞𝐧𝐭𝐞 vs Potencia de salida) [22] .......... 25
Figura 17. Elementos del ciclo Rankine ideal simple (Inspirado en [10]) .................................................... 25
Figura 18. Diagrama T vs s del agua (Tomado de [20]) ............................................................................... 26
Figura 19. Diagrama T vs s del fluido orgánico RC318 (Tomado de [13]) ................................................... 27
Figura 20. Elementos necesarios en el ORC (Tomado de[1]) ...................................................................... 29
Figura 21. Esquema general AHP ................................................................................................................ 31
Figura 22. Ubicaciones potenciales de la fuente de calor ........................................................................... 35
Figura 23. Gráfica de potencia eléctrica entregada por cada fluido de trabajo ......................................... 40
Figura 24. Gráfica de energía eléctrica producida por cada fluido de trabajo ............................................ 40
Figura 25. LCOE para cada fluido de trabajo ............................................................................................... 41
Figura 26. Análisis AHP de la solución ......................................................................................................... 43
ÍNDICE DE ANEXOS
ANEXO 1. Tipos de hornos en Colombia ..................................................................................................... 50
ANEXO 2. Cálculos detallados AHP para elegir la mejor opción en la solución .......................................... 50
ANEXO 3. Código EES ................................................................................................................................... 51
ANEXO 4. Enlaces importantes .................................................................................................................... 61
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1. INTRODUCCIÓN Este proyecto tiene como objetivo principal evaluar la viabilidad económica y técnica de la implementación
de sistemas de cogeneración, utilizando el calor de desecho generado en los hornos de la industria
ladrillera en Colombia. Para ello se visitó la Ladrillera Tablegres S.A.S localizada en el departamento de
Cundinamarca en Colombia y se realizó una caracterización de esta, con el fin de determinar su potencial
energético dentro de la cogeneración. Así mismo, se propusieron algunas formas de cogeneración
basándose en la literatura y finalmente se decidió estudiar el comportamiento del ciclo Rankine orgánico
(ORC, organic Rankine cycle) en esta industria. El modelamiento se realizó teniendo en cuenta los
siguientes fluidos orgánicos: tolueno, ciclohexano y octano; después de aplicar un método de selección
denominado AHP, teniendo en cuenta algunas consideraciones ambientales y técnicas y después calcular
el LCOE para cada caso, se determinó que el fluido más conveniente, para las condiciones propias de la
ladrillera, es el ciclohexano. Por último, se estableció que, dadas las condiciones energéticas de la ladrillera
Tablegres, se encontró que la implementación de este sistema de cogeneración es económica y
técnicamente viable, el mejor fluido de trabajo para esta aplicación es el ciclohexano.
1.1. CONTEXTO En Colombia, el sector relacionado con la construcción de edificios crece cada vez más, del mismo modo la producción de materiales para este sector crece también. Una de las industrias más importantes en el sector mencionado es la ladrillera, que tiene que ver con la producción de materiales cerámicos, como ladrillos y elementos de construcción obtenidos de arcilla (tejas, bloques, adoquín entre otros). Colombia cuenta con un número considerable de productores de ladrillo, en comparación con otros países de América Latina ocupa el lugar número 7 (ver Tabla 1), un aspecto que es importante porque permite visualizar el impacto de esta industria en América Latina y probablemente permitiría extrapolar los resultados obtenidos en este documento a otras partes del continente.
Tabla 1. Productores de ladrillos en Latinoamérica (Tomado de [28])
País Productores ladrilleros
México 16953
Argentina 8667
Brasil 7095
Bolivia 2704
Perú 2241
Ecuador 1730
Colombia 849
Nicaragua 537
Honduras 470
Por otro lado, es importante resaltar que la industria ladrillera en Colombia se divide en los grupos mostrados en la Tabla 2, es pertinente mencionar que el tipo microempresa o chircal hace parte de las empresas artesanales, mientras que los otros tipos hacen parte de una industria mecanizada:
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Tabla 2. Clasificación industria ladrillera (Datos tomados de [15])
Tipo de industria
Descripción Grado de
producción
Microempresa - Chircal
Este tipo de unidad extractiva y transformadora involucra procesos artesanales de fabricación tales como la extracción manual de arcillas y la cocción en hornos poco efectivos.
Intermitente (por pedidos)
Pequeña
Se caracteriza por ser un poco más tecnificada y con procesos de mayor valor agregado. La extracción se adelanta en forma mecanizada y se incorpora un circuito de molienda y homogenización con algo de tecnificación.
Continuo a baja escala
Mediana
Esta categoría relaciona empresas con inversiones en infraestructura altas, emplean procesos continuos en la cocción y en el campo ambiental estas empresas por el tipo de tecnología que emplean hacen un uso más eficiente de la energía y de los recursos.
Continuo
Grande
Este rango es de mayor grado tecnológico y en él se desarrollan una serie de etapas planeadas y programadas técnicamente, que van desde la caracterización y selección de materias primas, hasta procesos de cocción en hornos continuos con dispositivos de control y simulación digital.
Continuo a gran escala
Para este proyecto se va a analizar la industria mediana que es la que representa el mayor porcentaje en la industria ladrillera colombiana. Teniendo en cuenta lo anterior, es necesario conocer el proceso productivo adoptado por este tipo de industria y por ello se presenta la Tabla 3.
Tabla 3. Proceso productivo del ladrillo en Colombia para una industria mediana (Inspirada en [29])
Paso Proceso Descripción
1 Extracción de materia prima
La arcilla es extraída de minas especiales que son propiedad de la empresa productora.
2 Acondicionamiento de materia prima
En este proceso se muele, tritura y corta la materia prima con el fin de darle la consistencia necesaria, que generalmente es un polvo no muy fino
3 Mezcla y humectación
Se añaden los químicos y materiales necesarios (por ejemplo, residuos de ladrillos o piezas desechadas en alguna etapa del proceso productivo) para continuar con el proceso, se realiza para obtener una mezcla homogénea.
4 Elaboración de los productos cerámicos
Elaboración en seco: en la que la materia mezclada se ubica en una prensa industrial y mediante la aplicación de presión y con ayuda de moldes, los ladrillos se forman mediante compactación.
Elaboración en húmedo: la mezcla obtenida en el paso anterior se combina con una cantidad específica de agua de tal manera que se forma una especie de pasta que es extruida mediante extrusoras especializadas, que tienen dados de la geometría requerida.
5 Pre secado Se colocan los ladrillos obtenidos en el paso anterior en lugares abiertos a la atmósfera y se dejan secar durante un tiempo determinado, finalmente se transportan a una cámara de pre secado y se dejan durante un tiempo suficiente para eliminar la mayor humedad posible del ladrillo. La cámara de pre secado se encuentra en la parte lateral del horno de secado. Hay tres estaciones de pre secado en el lugar mencionado y se toma parte de
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la energía del proceso de secado para cumplir con el proceso de pre secado.
6 Control de calidad Se realizan pruebas de composición química para asegurar la calidad de los productos.
7 Secado/Cocción Los productos obtenidos anteriormente se colocan en un horno especializado, alimentado por carbón o por gas, y se llevan a temperaturas de hasta 1000°C. Se dejan por un tiempo determinado y finalmente se sacan.
8 Enfriamiento Los productos del paso anterior se dejan enfriar en un lugar abierto a la atmósfera.
9 Control de calidad Se realizan mediciones de las dimensiones de un lote aleatorio y se comparan con las esperadas en el proceso.
10 Comercialización Organización y distribución de los productos.
De acuerdo con lo anterior y teniendo en cuenta la ladrillera de estudio, se puede afirmar que en el proceso productivo del ladrillo existe un alto consumo de energía eléctrica, ya que la maquinaria utilizada para el acondicionamiento de la materia prima (molinos de martillo, bandas transportadoras, entre otros) y la elaboración de los productos cerámicos (extrusoras y prensa) se alimentan de la red eléctrica para poder funcionar. El consumo es alto porque dichas máquinas deben funcionar 5 días a la semana durante 6-8 horas/día, además la empresa cuenta con oficinas y otros lugares que consumen energía eléctrica diariamente. El horno en el que se secan los ladrillos no se puede apagar y permanece encendido 24 horas/día durante los 7 días de la semana consumiendo así una gran cantidad de carbón y/o gas natural. La energía requerida para cada una de las etapas es presentada en la Tabla 4, es importante recalcar que el mayor consumo energético se da en la etapa de secado y pre secado en el horno, además, según EELA [16] estos procesos son precisamente los menos eficientes y esto se debe al tipo de horno que se utilice (En el anexo 1 se pueden ver los tipos de horno existentes), al igual que al tipo de combustible que se use.
Tabla 4. Energía requerida en Las etapas del proceso productivo del Ladrillo (Datos Tomados de [5])
Proceso Tipo de energía
𝒌𝑾𝒉
𝑻𝒐𝒏𝒑𝒓𝒐𝒅𝒖𝒄𝒕𝒐
𝑴𝑱
𝑻𝒐𝒏𝒑𝒓𝒐𝒅𝒖𝒄𝒕𝒐
Preparación y triturado
Eléctrica
7,33 26,39
Molienda 10,47 27,69
Prensado 10,4 37,68
Extrusión 24,09 86,72
Pre secado Térmica
- 707,35
Secado/cocción - 1470,35
Según CAEM [12], en Colombia se utilizan los siguientes combustibles: Carbón (46.78%), gas natural (49.74%), energía eléctrica y leña (9.28%). Finalmente, se presenta la Tabla 5, con el fin de brindar un panorama de la cantidad de emisiones que se producen en la industria de vidrio, ladrillo y cerámica en Colombia, gran parte de estas se dan en la industria ladrillera [12].
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Tabla 5. Emisiones de la industria ladrillera, mostrada por zonas del país.(Tomada de [12])
Emisiones
Sur- occidente
Nor occidente
Atlántico /Oriente
Centro Especiales Emisiones Totales
[𝐓𝐨𝐧/𝐦𝐞𝐬] [𝐓𝐨𝐧/𝐚ñ𝐨]
𝐶𝑂 377 768 339 644 122 2250 27000
𝑆𝑂2 10 105 90 189 75 469 5628
𝑁𝑜𝑥 10 30 12 36 13 101 1212
𝑃𝑀 153 675 204 717 121 1870 22440
4690 56280
1.2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Como a se expuso anteriormente, el proceso productivo del ladrillo requiere de una cantidad de energía
considerablemente alta para llevarse a cabo, además, de acuerdo con [9], los hornos de ladrillos son
reconocidos como una de las mayores fuentes estacionarias de carbono negro que, junto con la
producción de hierro y acero, contribuye con el 20% de las emisiones totales de carbono negro en el
mundo. Por otra parte, dicho proceso tiene un rendimiento bajo, ya que la mayor parte de energía extraída
de los combustibles mencionados con anterioridad se disipa en forma de calor y/o se expulsa en los gases
de desecho del proceso. Para cuantificar el problema de eficiencia del proceso es pertinente mencionar
que, de acuerdo con Camelo [5] y UPME (Unidad de Planeación Minero Energética) [32] : en la etapa de
secado el total de energía térmica requerida es de 707.3 MJ/Ton, de esta energía el 36% es utilizada para
evaporar el agua; el 37% sale en los gases de chimenea y el 27% restante son pérdidas, del mismo modo
en la etapa de cocción la energía requerida es de 1.470 MJ/Ton, de los cuales, aproximadamente el 32%
salen en los gases de chimenea; el 27% se usa para calentar aire que será utilizado en la etapa de pre
secado; el 13% (187 MJ/Ton) es consumido en las reacciones y el restante 28% son pérdidas. Esta
información permite concluir que la eficiencia energética en el proceso productivo del ladrillo es de
aproximadamente: 36% en la etapa de pre secado y 40% en la etapa de secado/cocción.
Teniendo en cuenta lo anterior, se puede decir que hay una gran cantidad de energía desperdiciada, que
además contribuye de manera activa en la contaminación del medio ambiente y por este motivo se cree
pertinente y necesaria la implementación de un sistema de cogeneración, que permita utilizar el calor de
desecho de forma productiva y aumentar la eficiencia del proceso de fabricación del ladrillo.
1.3. CARACTERIZACIÓN LADRILLERA DE ESTUDIO
Por otra parte, con el fin de caracterizar el desempeño energético de una ladrillera en Colombia, se visitó la ladrillera Tablegres ubicada en Cogua (Cundinamarca-Colombia). En la visita se obtuvo información relevante del funcionamiento del horno de secado del ladrillo, además se identificaron los lugares con mayor potencial para la implementación de sistemas de cogeneración.
Planta e infraestructura
Como se mencionó con anterioridad, la empresa objeto de estudio está dentro del tipo de empresas
medianas. Para entender las características principales, se muestran en la Tabla 6 el tipo de procesos
utilizado en esta ladrillera, además se muestran los mecanismos utilizados en los procesos mencionados.
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Tabla 6. Proceso productivo característico ladrillera Tablegres S.A.S
Proceso Tipo Mecanismo utilizado
Extracción de materia prima Mecanizado Retro excavadora
Acondicionamiento de materia prima Mecanizado Trituradora, banda de transporte, molinho
Mezcla y humectación Manual -
Elaboración de los productos cerámicos Mecanizado Prensa hidráulica, extrusora industrial
Pre secado Mecanizado Ventiladores para extracción de calor
Control de calidad - -
Secado/Cocción Mecanizado Horno tipo Hoffman
Enfriamiento - -
Control de calidad - -
Comercialización - -
Como se mencionó al inicio, el proceso de secado/cocción del ladrillo es continuo y el horno está
encendido durante las 24 horas del día, los siete días de la semana, lo anterior debido a que si el horno se
apaga, volver a encenderlo consumiría más energía que la mostrada en la Tabla 4 (esta información fue
brindada por la empresa Tablegres, esta empresa la obtuvo de manera experimental).
Del mismo modo, como se observa en la Tabla 6, el horno/cámara de secado que tiene esta empresa es un horno tipo Hoffman, el esquema general se muestra en la Figura 1. Un aspecto importante de este tipo de hornos es que puede funcionar con dos tipos de combustibles: carbón pulverizado y/o gas natural.
Figura 1. Esquema general horno/cámara de secado
Una parte fundamental en este proyecto es entender el funcionamiento del horno, con el fin de localizar
los puntos con mayor potencial para la implementación de un sistema de cogeneración. En primer lugar,
es necesario conocer qué es una vagoneta y por qué es importante en el proceso de secado: una vagoneta
es un medio de transporte utilizado para mover el ladrillo en las distintas etapas del proceso, el
movimiento se da por medio de un sistema de rieles. La Figura 2 muestra una vagoneta, que aún no se ha
cargado, sobre los rieles que permiten su correcto desplazamiento. Por otro lado, la Figura 3 permite
identificar la carga que será puesta sobre la vagoneta, además de un ejemplo de una vagoneta totalmente
cargada.
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Figura 2. Esquema vagoneta sin carga y rieles.
Figura 3. Vagonetas transporte de ladrillo. De izquierda a derecha: Mitad de carga para una vagoneta, Vagoneta cargada ingresando al horno.
Como se mencionó con anterioridad, comprender el uso y significado de una vagoneta es importante ya
que permite esquematizar las temperaturas promedio registradas en el horno. El horno tiene capacidad
de 30 vagonetas y de acuerdo con la distribución de cada vagoneta se puede realizar el esquema mostrado
en la Figura 4. Cada una de las líneas verticales representa una vagoneta, de allí que la figura muestre 30
divisiones equidistantes. Teniendo eso en mente, se registraron los datos de temperatura de las paredes
internas del horno. Los registros se pudieron realizar gracias a instrumentos de medición de temperatura
que tiene integrado el horno tipo Hoffman, lo anterior con el fin de controlar y monitorear esta variable
que es de gran importancia en el correcto secado del ladrillo. La Figura 4 muestra las temperaturas
arrojadas por los instrumentos antes mencionados, estos están ubicados en las paredes internas del
horno, específicamente en sitios estratégicos del mismo.
Figura 4. Esquema general de temperaturas horno
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La entrada de las vagonetas se da por la parte izquierda de la Figura 4 y la salida después de la vagoneta
30. La temperatura inicial es 𝑇𝑖𝑛 = 40°𝐶 . Como se puede observar, en la posición 15 (vagoneta 15)
comienza el proceso de quema o cocción del ladrillo, allí la temperatura se incrementa hasta alcanzar un
máximo de 1070 °C (este valor varía dependiendo del producto que está siendo cocido, sin embargo, las
temperaturas máximas alcanzadas generalmente son menores a 1300°C y mayores a 1000°C)
Por otra parte, en este proyecto es importante conocer las temperaturas de la pared externa del horno
con el fin de determinar la cantidad de calor que está perdiendo en las posiciones de cocción/secado del
ladillo. Con lo anterior en mente, se tomaron las temperaturas de las paredes externas del horno con una
cámara termográfica y se encontraron los siguientes resultados:
▪ La Figura 5 muestra las temperaturas de la pared exterior del horno en las posiciones de
cocción/secado, donde la temperatura de paredes internas es mayor (Ver Figura 4). Se puede observar
que la máxima temperatura alcanzada en esta zona es aproximadamente 85 °C, teniendo claro que las
partes de la imagen en las que se registra una temperatura de 112°C hacen referencia a tubos de
alimentación1 del horno. Es importante resaltar que la temperatura máxima de la pared se da en la
parte inferior del horno, esto se debe al principio de funcionamiento de este.
Figura 5. Temperaturas pared externa horno. Ubicaciones 18 y 19
De igual forma, en la Figura 6 se muestra la temperatura de la pared exterior superior del horno en la
misma ubicación de la Figura 5. Es importante resaltar que las temperaturas en esta zona son
relativamente bajas y aunque alcanzan un valor máximo de 80 °C, en promedio la pared superior está a
70°C. Las partes que muestran una temperatura de 140°C hacen referencia a puntos de monitoreo del
secado del ladrillo, estos son de metal y por ello se da mayor transferencia de calor y aumento de
temperatura.
1 Tubos por los cuales se transporta el combustible hasta la posición de secado/cocción
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Figura 6. Temperaturas pared superior externa horno Ubicaciones 18 y 19
Continuando con lo anterior, se pudo identificar una potencial fuente de alimentación del sistema de
cogeneración: a partir de la posición 21 del horno los ladrillos secos/cocidos salen de la etapa de secado y
comienzan a enfriarse, principalmente pierden calor por convección. Como se puede observar en la Figura
7, la carga de ladrillo alcanza una temperatura máxima de 366 °C y una temperatura mínima de
aproximadamente 190°C en las posiciones mencionadas con anterioridad, además como se mostró en la
Figura 4, la temperatura interna del horno alcanzan valores que oscilan entre 370-300°C.
Figura 7. Temperaturas carga de ladrillo recién salida del horno
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Por su parte, la Figura 8 muestra las temperaturas de un extractor de calor ubicado en las posiciones finales
del horno. Este elemento es importante en el análisis del proyecto porque contiene un termómetro que
indica la temperatura de salida de los gases que saca el extractor para enfriar más el ladrillo. Como se
observa en la Figura 9. Temperatura de los gases de salida posiciones finales horno está temperatura de
salida alanza valores de 305°C aproximadamente, un valor importante que va a ser tenido en cuenta a la
hora de elegir el sistema de cogeneración.
Figura 8. Temperaturas pared superior horno y extractor de calor. Ubicación 25.
Figura 9. Temperatura de los gases de salida posiciones finales horno (Las temperaturas exteriores están en °C y las interiores
en °F)
El sistema de extracción de calor mediante ventiladores se realiza por dos razones principales: la primera es forzar el enfriamiento rápido del ladrillo después del secad/cocción y segundo, extraer calor para ventilarlo hacia los ladrillos en la etapa de pre secado. Finalmente, la Figura 10 muestra la temperatura de las paredes exteriores del horno desde la ubicación 25 hasta la 30. Se puede observar que la temperatura máxima alcanzada en las paredes de aproximadamente 75°C, sin embargo, existe una temperatura máxima de 139 °C que está directamente relacionada con el funcionamiento de un extractor de calor utilizado para pre- secar el ladrillo. Con el fin de esquematizar de manera general el proceso de pre secado se presenta la Figura 10, en la que se aprecian las temperaturas principales de la cámara de pre secado y en los tubos que ventilan el calor extraído en el horno.
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Figura 10. Temperaturas pared externa horno. Ubicaciones 25-30
Consumo de energía eléctrica
De acuerdo con los datos suministrados por la ladrillera Tablegres, el consumo de energía eléctrica
mensual aproximado es de: 58,89 𝑀𝑊ℎ/𝑚𝑒𝑠 . El alto consumo se debe a las etapas del proceso
productivo del ladrillo que se muestran en la Tabla 7.
Tabla 7. Etapas del proceso productivo que consumen energía eléctrica en la ladrillera Tablegres2
Proceso Mecanismo utilizado
Acondicionamiento de materia prima Trituradora, banda de transporte, molino
Elaboración de los productos cerámicos Prensa hidráulica, extrusora industrial
Pre secado Ventiladores para extracción de calor
Por otro lado, en la parte logística de la ladrillera hay varias oficinas, en las que también existe consumo
de energía eléctrica. Del mismo modo, la planta en general cuenta con elementos comunes -como
bombillos- que incrementan el uso de energía eléctrica.
Desempeño energético ladrillera
Pérdidas de calor en las paredes del horno:
Por otra parte, es pertinente precisar la cantidad de calor que se pierde en el horno a través de las paredes
para evaluar si este calor tiene potencial para modelar el sistema de cogeneración.
Para ello, se tienen en cuenta las temperaturas que se presentaron en la Figura 4 y la Figura 5. En primera
instancia, para tener un panorama general, se comienza con un análisis de transferencia de calor por
conducción a través de las paredes verticales. De este modo, se presenta la Figura 11 en la que se muestra
2 Información suministrada por la Ladrillera Tablegres, referente al consumo de energía eléctrica del mes de Julio de 2019
pg. 17
el análisis de transferencia de calor para una pared de ladrillo con temperaturas internas y externas
específicas.
Figura 11. Esquema transferencia de calor por conducción paredes laterales horno
Por otro lado, teniendo en cuenta la ecuación ( 7 ) y además conociendo que 𝑘𝑙𝑎𝑑𝑟𝑖𝑙𝑙𝑜 = 0.72𝑊
𝑚 𝐾 (tomado
de [2]) se obtuvo el siguiente resultado:
𝑄�̇�′′
=𝑘𝑙𝑎𝑑𝑟𝑖𝑙𝑙𝑜
𝐿∙ [𝑇𝑖𝑛 − 𝑇𝑒𝑥𝑡] =
0.72𝑊
𝑚𝐾0.3 𝑚
∙ [1040 − 70]𝐾 = 2,33𝑘𝑊
𝑚2
Si se tienen en cuenta que el área aproximada del lugar en el que se realiza el secado cocción del ladrillo
es: 32 𝑚2, se tiene que 𝑄�̇� = 74.56 𝑘𝑊.
Por otra parte, la configuración de la pared superior es un poco diferente y se muestra en la Figura 12.
Figura 12. Esquema transferencia de calor por conducción en la pared superior del horno
teniendo en cuenta lo anterior y conociendo que 𝑘𝑚𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎 = 0.3𝑊
𝑚 𝐾 (tomado de [2]) se obtuvo el siguiente
resultado:
�̇�𝑠′′
= (𝑘𝑙𝑎𝑑𝑟𝑖𝑙𝑙𝑜
𝐿+
𝑘𝑚𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎
𝐿2) ∙ [𝑇𝑖𝑛 − 𝑇𝑠𝑢𝑝] = (
0.72𝑊
𝑚𝐾0.3 𝑚
+0.16
𝑊𝑚𝐾
0.1 𝑚) ∙ [1040 − 60]𝐾 = 3,920
𝑘𝑊
𝑚2
Si se tienen en cuenta que el área de la pared superior aproximada del lugar en el que se realiza el secado
cocción del ladrillo es: 12 𝑚2, se tiene que 𝑞�̇� = 47.04 𝑘𝑊.
pg. 18
De acuerdo con lo anterior, se puede concluir que el calor que se pierde a través de las paredes del horno
en las posiciones en las que se hace efectivo el secado/cocción del ladrillo es de �̇�𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 121.60 𝑘𝑊
Energía de desecho disponible:
La Tabla 8 muestra los datos más relevantes para determinar el flujo de calor liberado en los gases de
desecho (calor disponible [�̇�𝑖𝑛] )
Tabla 8. Datos relevantes para la determinación del rendimiento energético
Ítem Unidades Valor Descripción
Energía requerida en la cocción
[𝑀𝐽
𝑇𝑜𝑛]
1500 Tomado de [5] y [32]
Energía gases de desecho 472,5
Equivale al 32% de la energía total de la cocción [5]
Energía destinada a la etapa de pre secado
400 Equivalente al 27% de la energía total de la cocción [5]
Producción mensual de ladrillo (Ladrillera Tablegres)
[𝑇𝑜𝑛
𝑚𝑒𝑠] 4000 Tomado Ladrillera Tablegres [29]
Tomando en consideración los datos de la Tabla 8, se calcula �̇�𝑎𝑣𝑎𝑖𝑙𝑎𝑏𝑙𝑒:
�̇�𝑎𝑣𝑎𝑖𝑙𝑎𝑏𝑙𝑒 = 472,5𝑀𝐽
𝑇𝑜𝑛∙ 4000
𝑇𝑜𝑛
𝑚𝑒𝑠∙
1 𝑚𝑒𝑠
(30 ∗ 24 ∗ 3600)𝑠= 0.729
𝑀𝐽
𝑠= 729 𝑘𝑊
Energía utilizada para la etapa del pre secado del ladrillo:
De acuerdo con la información presentada en la descripción del problema, se requieren 708𝑀𝐽
𝑇𝑜𝑛 para la
etapa de pre secado, sin embargo, también se afirma que de la etapa de secado se extraen alrededor de
400𝑀𝐽
𝑇𝑜𝑛 para la etapa de pre secado (ver Tabla 8). Además, se sabe que existen 3 estaciones de pre secado,
por lo tanto, se puede asumir que la etapa de secado está aportando un tercio de energía para el proceso
de pre secado. De este modo se puede afirmar que:
�̇�𝑝𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑎𝑑𝑜 = (708 −2 ∗ 400
3)
𝑀𝐽
𝑇𝑜𝑛∙ 4000
𝑇𝑜𝑛
𝑚𝑒𝑠= 682 𝑘𝑊
Lo que significa que excluyendo las dos estaciones de pre secado que no son del interés del documento
(pues teóricamente van a mantener constante su valor porque están alejadas de la etapa de secado), el
flujo de calor necesario para el pre secado es de 682 kW.
Finalmente, como lo que se quiere con la solución propuesta es diseñar un sistema de cogeneración en el
que además de la energía eléctrica, se obtenga energía necesaria para el pre secado, se puede asumir que:
�̇�𝑎𝑣𝑎𝑖𝑙𝑎𝑏𝑙𝑒 = (400
3+ 472.5)
𝑀𝐽
𝑇𝑜𝑛∙ 4000
𝑇𝑜𝑛
𝑚𝑒𝑠∙
1 𝑚𝑒𝑠
(30 ∗ 24 ∗ 3600)𝑠= 930 𝑘𝑊
pg. 19
2. OBJETIVOS 2.1. GENERAL Evaluar la viabilidad económica y técnica de la implementación de sistemas de cogeneración utilizando el calor de desecho generado en los hornos de la industria ladrillera en Colombia
2.2. ESPECÍFICOS ▪ Caracterizar el desempeño energético de una ladrillera y determinar de manera cualitativa la
disponibilidad energética de esta.
▪ Proponer diseños conceptuales de sistemas de cogeneración que podrían implementarse en una
ladrillera.
▪ Modelar mediante simulaciones en un software especializado el comportamiento de los sistemas de
cogeneración propuestos.
▪ Evaluar el impacto económico (COP/kWh) que tienen los sistemas de cogeneración propuestos y
presentarlos a una empresa de la industria ladrillera en Colombia.
pg. 20
3. METODOLOGÍA DEL PROYECTO Con el fin de caracterizar el desempeño energético de una ladrillera, se va a visitó la ladrillera Tablegres
S.A.S, ubicada en el departamento de Cundinamarca en Colombia. Con esta visita se logró identificar los
lugares con mayor potencial para la implementación de sistemas de cogeneración. Para ello, se registraron
los datos de temperatura que obtiene la ladrillera con unos instrumentos de medición ubicados en las
paredes internas del horno de cocción. Además, para registrar las temperaturas de las paredes externas
del horno y conocer el flujo de calor que se pierde por las paredes, se utilizó una cámara termográfica
Fluke Ti45FT IR FlexCam. Con los datos de temperatura obtenidos, se procedió a realizar un esquema (se
muestra más adelante) y finalmente estimar el calor disponible (disponibilidad energética) para el sistema
de cogeneración.
Para llegar a una solución adecuada, se indagó en la literatura sobre cuáles con los métodos cogeneración
disponibles en la actualidad y cuáles son sus principales características. De acuerdo con eso y con la
información obtenida en la caracterización de la ladrillera, especialmente teniendo en cuenta la
temperatura de trabajo máxima y la disponibilidad energética, se propuso que la mejor opción para el
proceso era la utilización de ciclo Rankine orgánico.
A continuación, se procedió a realizar la simulación en el programa EES [20]. Para ello, se tuvieron en
cuenta las ecuaciones ( 1 )-( 5 ). En este proceso es necesario tener en cuenta varios aspectos comerciales,
técnicos y ambientales. Cuando se hace referencia a los aspectos comerciales se tienen en cuenta
elementos propios del ORC, es decir, es necesario tener en cuenta la disponibilidad comercial de turbinas,
condensadores, intercambiadores de calor y bombas para poder tener información de datos técnicos tales
como: eficiencias, capacidad de enfilamiento, caudal, presión y temperatura de trabajo, pérdidas de
presión, consumo de energía eléctrica; entre otros. Por último, haciendo referencia a los temas
ambientales, se debe tener en cuenta el impacto del fluido de trabajo en el medio ambiente y con ello se
debe elegir cuál es el más adecuado.
Finalmente, conociendo la capacidad energética de la planta de cogeneración propuesta y también los
costos de inversión de los elementos comerciales de la solución se procede a determinar el LCOE, que es
un indicador que muestra el costo del kWh producido con la solución (COP/kWh). El valor obtenido en este
punto se compara con el precio actual que paga la ladrillera a la red eléctrica que la alimenta y se
determina si es conveniente o no instalar el sistema de cogeneración propuesto en este documento.
pg. 21
4. MARCO TEÓRICO LAS FUENTES DE ENERGÍA A NIVEL MUNDIAL
En el mundo existe un gran número de fuentes energéticas, las principales se presentan en la Tabla 9.
Como se puede observar las fuentes de energía se dividen, principalmente, en: renovables y no renovables,
más adelante, se mostrará que, aunque las no renovables son las que se utilizan en mayor proporción en
el mundo, en la actualidad es importante implementar cambios que favorezcan la adopción de energías
renovables, ya que traen beneficios para el planeta y la humanidad.
Tabla 9. Clasificación de los tipos de energía según su fuente. (Inspirada en [17])
Fuentes Energía primaria Energía secundaria
No renovables
Fósiles
Carbón mineral Termoelectricidad, calor, combustible para
transporte Petróleo y sus derivados
Gas natural Nuclear - Termoelectricidad y calor
Renovables
Tradicionales Biomasa primitiva (leña de deforestación) Calor
Convencionales Energía hidráulica de medio y gran aporte Hidroelectricidad
Nuevas
Energía hidráulica de pequeño aporte Biomasa moderna (leña, caña de azúcar,
aceites vegetales, entre otras)
Biocombustibles, calor, termoelectricidad
Otras
Solar
Calor, electricidad Geotérmica
Eólica
Mareomotriz y undimotriz
Consumo de energía en el mundo
La población mundial aumenta a través de los años, de la misma manera el consumo energético, así lo
muestra la Figura 13. En ella se puede apreciar que el consumo de energía tiene un comportamiento desde
el año 1993 hasta la actualidad. Un aspecto importante es el que se relaciona con las energías alternativas
y renovables, se puede apreciar que, aunque al comienzo del periodo de análisis el consumo de estas
fuentes era prácticamente nulo, en la actualidad dicho consumo ha incrementado y en gran parte se debe
al avance tecnológico.
Por otra parte, con el fin de presentar un panorama regional, se presenta la Figura 14. En esta se muestra
el consumo porcentual de las distintas fuentes de energía o combustibles para regiones representativas
en el mundo. Un factor importante es el relacionado con el consumo de energías renovables, se muestra
que este combustible se consume en gran cantidad en América y Europa, sin embargo, se muestra también
que es un consumo bajo comparado con los combustibles tradicionales, tales como: gas natural y
combustibles fósiles.
pg. 22
Figura 13. Consumo mundial de energía 2018 (equivalente a millones de toneladas de petróleo). Tomada de [4]
Figura 14. Consumo porcentual regional de combustibles 2018 Tomada de [4]
Continuando con lo anterior, es necesario realizar un análisis energético en Colombia, este se presenta en
la Figura 15. El balance presentado por el departamento de planeación nacional (DPN) de Colombia,
muestra que el consumo energético en Colombia para 2015 fue de 29.655 kTep, además que la producción
de energía en el mismo año fue de aproximadamente 142.000 kTep, de los cuales menos del 6% equivalen
a fuentes de energía renovables o alternativas. De allí la necesidad de adoptar nuevos sistemas de
generación de energías renovables y alternativas.
pg. 23
Figura 15. Balance energético colombiano 2015. (KTEP3/año). Tomada de [14].
Necesidad de adopción de energías alternativas en el mundo
De acuerdo con Goldemberg & Lucón [17], es necesario implementar cambios que conlleven a la adopción
de las energías alternativas por dos razones principales:
1) Los recursos limitados o límites en las reservas de combustibles: alrededor de la mitad del petróleo
que el planeta poseía originalmente se ha extraído hasta el día de hoy. Esto lleva a los países a
desarrollar otras opciones de energía. El gas natural es una alternativa interesante, pero también finita
y aunque las energías renovables y algunas alternativas también tienen límites, están lejos de ser
alcanzadas, con el avance tecnológico pueden llegar a ser la mejor opción para reemplazar las fuentes
de energía tradicionales.
2) Los impactos ambientales, principalmente los relacionados con el cambio climático: a nivel mundial,
un problema crítico es el cambio climático causado por el aumento del efecto invernadero, que a su
vez se debe al aumento de las emisiones de dióxido de carbono, metano y otras sustancias en la
atmósfera a través de procesos naturales y antropogénicos. El principal de estos procesos es la
producción de energía a partir de fuentes de origen fósil (como plantas termoeléctricas, transporte,
industrias, calefacción de espacios, etc.). Las energías alternativas podrían ayudar a mitigar los efectos
ambientales de los procesos y al igual que el punto anterior con el avance tecnológico pueden llegar a
ser la mejor opción para evitar los impactos ambientales negativos mencionados.
COGENERACIÓN
Según Bhatia [3], la cogeneración o CHP (cogeneration heat and power) se definen como la generación
secuencial de dos formas diferentes de energía útil a partir de una única fuente de energía primaria,
típicamente energía mecánica y energía térmica respectivamente.
En la actualidad se conocen y utilizan varios sistemas de cogeneración, los principales son:
▪ Sistemas de cogeneración cuyo principio de funcionamiento se basa en el ciclo Rankine, tanto SRC
(steam Rankine cycle), como ORC (organic Rankine cycle).
3 Kilo tonelada de petróleo equivalente
pg. 24
▪ Sistemas de cogeneración de turbinas a gas, basadas en el ciclo Brayton.
▪ Sistemas de cogeneración a partir de combustión de biomasa.
▪ Sistemas de cogeneración de motores reciprocantes.
En la Tabla 10 se presentan algunas de las ventajas y desventajas de cada uno de los sistemas de
cogeneración.
Tabla 10. Ventajas y desventajas de los sistemas de cogeneración (Datos tomados de [25])
Sistema Ventajas Desventajas
SRC
- Tiempo de vida útil y periodicidad de mantenimiento elevados.
- Versatilidad de combustible. - Tecnología madura. - Elevados cambios de presión disponibles. - Trabaja con fuentes de energía con
temperaturas altas.
- Rendimiento eléctrico bajo - Arranque lento.
ORC
- Tiempo de vida útil y periodicidad de manutención elevados.
- Versatilidad de combustible y en los fluidos de trabajo.
- Impacto ambiental positivo, respeito a SRC. - Trabaja con fuentes de energía con
temperaturas bajas/medias.
- Rendimiento eléctrico bajo - Arranque lento. - Tecnología en desarrollo, no es
tan madura
Turbinas a gas
- Mantenimiento simple y reducido. - Baja emisión de gases contaminantes. - Tecnología madura y de alta confiabilidad. - Trabaja con fuentes de energía con
temperaturas altas - Arranque rápido.
- Tiempo de vida útil reducido - Desempeño sensible a la
variación de la temperatura ambiente.
- Necesidad de gas de alta presión o auxilio de u compresor.
Motores reciprocantes
- Altos niveles de rentabilidad. - Arranque rápido. - Versátiles em cuanto a campos de
aplicación. - Buena relación de producción
(electricidad/calor) - Tecnologia madura e bastante desarrolhada
- Tiempo de vida útil reducido. - Costos de instalación y
mantenimiento elevados. - Limitación en los combustibles
que se eligen para el funcionamiento del sistema
La implementación de los métodos mencionados anteriormente depende en gran parte de la temperatura
de trabajo de la fuente de calor. De acuerdo con Macchi [22], cuando la temperatura de trabajo es menor
a 400-500 °C, se dice que el sistema tiene una fuente de calor de baja- media temperatura y de lo contrario
es un sistema con una fuente de calor a alta temperatura.
En la Figura 16, se pueden observar los diferentes sistemas de cogeneración, teniendo en cuenta la
temperatura de la fuente de calor. Como se puede ver, el sistema basado en ORC está en una posición
favorable a temperaturas inferiores a 400°C y superiores a 300°C, siendo uno de los que más energía de
salida puede generar.
pg. 25
Figura 16.Diagrama de sistemas de generación de energía (𝐓𝐟𝐮𝐞𝐧𝐭𝐞 vs Potencia de salida) [22]
CICLO RANKINE Y RANKINE ORGÁNICO
El ciclo Rankine, es conocido también como el ciclo ideal para los ciclos de potencia de vapor. Está
compuesto, básicamente por los elementos mostrados en la Figura 17, además se compone de los
procesos mostrados a continuación (ver Tabla 11): Tabla 11. Procesos del ciclo Rankine ideal simple (Tomado de [10])
Elemento Proceso
1-2 Bomba Compresión isentrópica
2-3 Caldera/fuente de calor Adición de calor a presión constante
3-4 Turbina/expansor Expansión isentrópica
4-1 Condensador Rechazo de calor a presión constante
Figura 17. Elementos del ciclo Rankine ideal simple (Inspirado en [10])
pg. 26
Una representación más clara se muestra en la Figura 18. En esta se puede ver el recorrido de los procesos
antes mencionados. Cabe aclarar que este es un diagrama del ciclo ideal, en el que no hay
irreversibilidades. Es importante notar también, que en el ciclo Rankine ideal simple el estado del fluido
en la etapa 1 es líquido saturado, en la etapa 2 es líquido comprimido, en la 3 es vapor sobrecalentado y
en la 4 vapor saturado.
Figura 18. Diagrama T vs s del agua (Tomado de [20])
El principio del ciclo Rankine es utilizado en muchas aplicaciones en las que se requiere generar energía
eléctrica y se puede dividir en dos opciones según el líquido de trabajo utilizado: Ciclo de Rankine de vapor,
SRC y en ciclo Rankine orgánico: ORC. Según Macchi [22], SRC es preferido cuando hay una hay una fuente
de energía a alta temperatura y se requiere una planta de transformación de ciclo cerrado. Sin embargo,
cuando la temperatura o la potencia térmica disponible en la fuente de energía es limitada, se vuelve
atractivo adoptar el ORC [22]. De acuerdo con Macchi [22], los ORC son la solución técnica inigualable para
generar electricidad a partir de fuentes de calor de baja y media temperatura de capacidad limitada. Según
la literatura [1] [23][22], la implementación de los ORC en la actualidad es menos compleja que la
implementación de SRC por varias razones:
- Las propiedades termodinámicas de los fluidos de trabajo: los fluidos de alta complejidad muestran
pequeñas caídas de temperatura en el proceso de expansión, con una temperatura en la descarga de
la turbina superior a la que se puede alcanzar en las plantas de vapor. Además, los fluidos de trabajo
orgánicos tienen puntos de ebullición más bajos en comparación con el agua, lo que permite recuperar
energía de fuentes de calor residual a baja temperatura.
pg. 27
- Los ORC en comparación con otros sistemas de energía de ciclo cerrado tienen un diseño de planta
intrínsecamente más simple que se caracteriza por un número limitado de componentes: una
operación fácil, una pequeña inercia térmica y una gran flexibilidad en condiciones fuera de diseño.
- La compresión tiene lugar en la fase líquida, con la ventaja significativa de que el trabajo de
compresión se reduce drásticamente y el trabajo de la turbina está cerca del ciclo de trabajo útil; el
efecto es una fuerte disminución de las pérdidas de eficiencia relacionadas con las irreversibilidades
de turbo maquinaria.
Un ejemplo de ORC se muestra en la Figura 19, se puede observar que la forma de las líneas de vapor y
líquido saturado cambia respecto al SRC, las temperaturas de operación cambian y se puede reafirmar que
este tipo de líquidos es la mejor opción cuando la temperatura de la fuente de calor es media-baja.
Figura 19. Diagrama T vs s del fluido orgánico RC318 (Tomado de [13])
Otro aspecto importante en la implementación del ORC es el relacionado con las condiciones a las que
será sometido el fluido de trabajo. En primer lugar, se deben tener en cuenta las condiciones de trabajo
[22], especialmente las temperatura y presiones en cada punto del ciclo Rankine, lo anterior porque como
cualquier otro fluido, los fluidos orgánicos tienen una presión y temperatura críticas, al igual que una
presión y temperatura máximas, hasta dicho punto el fluido será estable, de lo contrario comenzará a traer
complicaciones en el sistema.
pg. 28
De acuerdo con lo anterior, se puede clasificar el ORC en dos tipos: subcrítico y supercrítico, qué según
Macchi [22], se pueden definir como:
- Subcrítico: cuando la presión y/o temperatura de trabajo son iguales o inferiores a la presión y
temperatura críticas del fluido respectivamente.
- Supercrítico: cuando la presión y/o temperatura de trabajo son superiores a la presión y temperatura
críticas del fluido respectivamente.
Por otra parte, existe un gran número de fluidos orgánicos que tienen características propias y pueden ser
usados en un sinnúmero de aplicaciones. Sin embargo, es importante elegir la mejor alternativa para
asegurar que la solución implementada sea óptima, es por ello que existen varios criterios de selección del
fluido de trabajo, según la literatura [22], estos son:
- Disponibilidad comercial y costo razonable
- Flamabilidad y toxicidad: se debe asegurar que el fluido en las condiciones de trabajo sea seguro para
todos, es decir, no tóxico y no inflamable.
- Compatible con los materiales de los elementos del ciclo Rankine
- Amigable con el medio ambiente: esta característica tiene mucha importancia en la actualidad y más
en este tipo de sistema en el que se busca disminuir el impacto (negativo) ambiental en los procesos
de generación de energía. Este indicador se puede evaluar basándose en el ODP (ozone depletion
potential) y en el GWP (global warming potential)
- Como se mencionó anteriormente, las propiedades del fluido juegan un papel muy importante en la
solución.
Como se mencionó con anterioridad, el ORC no es ideal en la vida real, este se ve afectado por algunas
irreversibilidades propias de los elementos que componen el sistema. Según Macchi [22], estas son:
- Pérdidas dinámicas del fluido en la bomba
- Pérdidas dinámicas del fluido en la turbina
- Caídas de presión en el condensador y en la caldera/intercambiador de calor
- Pérdida de calor en el proceso de trasferencia de calor en la evaporación y en la condensación
- Pérdidas electromecánicas en los elementos
- Pérdidas de calor hacia el medio ambiente
ANÁLISIS TERMODINÁMICO
Teniendo en mente lo anterior, se puede llegar al siguiente análisis termodinámico, tomado de [26]:
�̇�𝑝𝑢𝑚𝑝 =�̇�(ℎ2 − ℎ1)
𝜂𝑝𝑢𝑚𝑝
( 1 )
�̇�𝑝𝑢𝑚𝑝 = �̇� ∗ (ℎ3 − ℎ4) ∗ 𝜂𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑒
( 2 )
�̇�𝑖𝑛 = �̇� ∗ (ℎ3 − ℎ2) = �̇�𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒 ∗ 𝜂ℎ𝑒𝑎𝑡 𝑒𝑥𝑐ℎ𝑎𝑛𝑔𝑒𝑟
( 3 )
pg. 29
�̇�𝑜𝑢𝑡 = �̇� ∗ (ℎ4 − ℎ1)
( 4 )
𝜂𝑒𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦,𝑂𝑅𝐶 =�̇�𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑒 − �̇�𝑝𝑢𝑚𝑝
�̇�𝑖𝑛
( 5 )
Por otro lado, conociendo el funcionamiento básico del ORC simple, es importante conocer los elementos
que lo componen y las diferentes opciones existentes en el mercado. Estas se muestran en la Figura 20.
Figura 20. Elementos necesarios en el ORC (Tomado de[1])
TRANSFERENCIA DE CALOR
Según la literatura [2], existen tres métodos principales para transportar el calos de una fuente a otra,
estos son:
- Conducción: Al mencionar la palabra conducción, debemos evocar inmediatamente conceptos de
atómica y actividad molecular porque los procesos a estos niveles mantienen este modo de
transferencia de calor. La conducción puede ser vista como la transferencia de energía de más
enérgico a menos partículas energéticas de una sustancia debido a interacciones entre las partículas.
La ecuación ( 6 ) es la ecuación característica que gobierna este método de transferencia de calor.
𝑄�̇�′′
= −𝑘 ∗𝑑𝑇
𝑑𝑥
( 6 )
Para paredes planas se puede expresar como (ecuación ( 7 ))
Opciones técnicas para el ORC
Intercambiadores de calor
Tubos y coraza
Condensadores de aire
Evaporadores y condensadores refrigerados por
agua.
Recuperador de calor
Placa soldada y aleta de placa
Expansores
Expansor volumétrico
Turbinas
Bombas Otros elementos
Cajas de engranajes
Conversor AC/DC
Sistemas electrónicos de
potencia
Generadores de electricidad
pg. 30
𝑄�̇�′′
= −𝑘 ∗𝑇2 − 𝑇1
𝐿= −𝑘 ∗
∆𝑇
𝐿 [
𝑘𝑊
𝑚2 ]
( 7 )
Donde:
𝑄�̇�′′
∗ 𝐴 = 𝑄�̇� [𝑘𝑊] ( 8 )
- Convección: El modo de transferencia de calor por convección se compone de dos mecanismos.
Además de la transferencia de energía debido al movimiento molecular aleatorio (difusión), la energía
también se transfiere por el movimiento macroscópico o fluido del fluido. Su ecuación característica
es:
𝑞ℎ′′ = ℎ ∗ (𝑇𝑠 − 𝑇∞) [
𝑘𝐽
𝑚2] ( 9 )
- Radiación: La radiación térmica es la energía emitida por la materia que está a una temperatura
diferente de cero. Aunque nos enfocaremos en la radiación de superficies sólidas, la emisión también
puede ocurrir por líquidos y gases.
PROCESO DE SELECCIÓN DE LA MEJOR ALTERNATIVA
Considerando que se va a evaluar el comportamiento de 3 fluidos de trabajo, es necesario elegir cuál de
estos va a ser la mejor opción para la solución al problema planteado con anterioridad. Por ello, es preciso
cuantificar, de alguna manera, la importancia de cada fluido en la solución y con ello elegir el de mayor
puntuación. De este modo, se aplica un método denominado Analytic hierarchy process (AHP), que según
Saaty[27], es una teoría de medición general que se usa para deducir escalas de proporción entre
diferentes alternativas de comparación, que pueden ser continuas o discretas. Es decir, es un proceso que
permite cuantificar la importancia o el peso que tiene cada alternativa del proceso de selección, lo que,
finalmente permite elegir la mejor opción.
Para realizar este proceso se deben seguir estos pasos4:
Tabla 12. Pasos para la realización del AHP. (Tomado de [24])
Paso Descripción
(1) Desarrollar un modelo que descompone la decisión en un orden jerarquico como el que se muestra en la Figura 21.
(2) Determinar las prioridades (pesos) para cada uno de los criterios. Cada criterio se compara con los otros y se establece la importancia del mismo con respecto a la meta.
(3) Determinar las prioridades locales (preferencias) para de las alternativas presentadas con respecto a cada criterio
(4) Determinar la prioridad general ( la síntesis del modelo) en la que se pondera la prioridad local y la prioridad de cada criterio con el fin de establecer cuál es la alternativa con mayor puntaje y poder decidir cuál es la mejor.
(5) Analizar la sensibilidad del sistema para establecer si es confiable o no.
(6) Finalmente de puede tomar una decisión y se elige una de las alternativas.
4 La teoría detallada con ejemplos útiles para entender mejor cada concepto, se encuentra en las referencias antes mencionadas [24], [27].
pg. 31
Figura 21. Esquema general AHP
No todos los criterios, subcriterios o alternativas van a tener la misma importancia dentro de la solución y
es por ello que, para realizar los pasos (2), (3) y (4) es necesario conocer la matriz de comparación y su
funcionamiento. En primer lugar, la matriz está compuesta por una serie de números (Tabla 14) que
representan los siguientes juicios (ver Tabla 13) : Tabla 13. Juicios del AHP. (Tomado de [24])
Juicio verbal Valor numérico
Extremadamente más importante 9
8
Mucho más importante 7
6
Más importante 5
4
Moderadamente más importante 3
2
De igual importancia 1
Una matriz de comparación puede estar compuesta por alternativas, criterios o por subcriterios. Este tipo de matrices tienen una dimensión 𝑛𝑥𝑛, en la que 𝑛 es el número de alterativas, criterios o subcriterios. En la Tabla 14 muestra un ejemplo de una matriz de comparación para dos alternativas de decisión (A1 y A2), respecto a un criterio C1. La lectura del contenido de la matriz, según [24], es la siguiente: A1 es extremadamente más importante que la A2, lo que es equivalente a decir que la relación de importancia de A1 vs importancia de A2 (A1/A2) es 9; de manera similar, la comparación opuesta (A2/A1) es el recíproco del valor numérico anterior, es decir 1/9, que significa que A2 es extremadamente menos importante que A1. Un aspecto característico de este tipo de matrices es que la diagonal principal es 1, ya que al comparar una alternativa con si misma se sabe que tiene igual importancia (A1/A1=1).
Tabla 14. Matriz de comparación de alternativas (relativas C1)
A1 A2
A1 1 9
A2 1/9 1
Continuando con la idea anterior, según [24], para estimar la prioridad local de cada alternativa (en caso
de ser un criterio se calcula el peso de cada criterio) se normaliza la matriz (se suma los valores de las
Meta
C1 SC1
SubcriteriosCriterios
C2SC2
A1
Alternativas
A2SC3
Meta
pg. 32
columnas y se divide cada elemento de la columna entre dicho valor) y se calcula el promedio de los valores
de cada fila de la matriz normalizada5, tal como se muestra en la Tabla 15.
Tabla 15. Matriz de comparación normalizada
A1 A2 Promedio
A1 9/10 9/10 0.9
A2 1/10 1/10 0.1
Finalmente, se presenta la matriz de resultados (Tabla 16), que se puede interpretar como: la importancia
de A1 en la solución es 0.9 y la importancia de A2 en la solución es 0.1. Dichos resultados, conllevan a
afirmar que A1 es la alternativa de solución más conveniente relativa a C1 (a nivel local), ya que tiene la
puntuación más alta. Tabla 16. Matriz de resultados
A1 A2 Prioridad local
A1 1 9 0.9
A2 1/9 1 0.1
Es importante resaltar que, para obtener la prioridad general y poder tomar una decisión, se debe
encontrar la matriz de resultados de los criterios (peso de cada criterio) y se debe ponderar con los
resultados de las prioridades locales. Suponiendo que hay dos criterios, C1 y C2, cuyas prioridades son 20%
y 80% respectivamente y asumiendo que las prioridades locales de A1 y A2, relativas a C2 son 0.3 y 0.7,
respectivamente, se presenta la Tabla 17.
Tabla 17. Matriz de resultados generales
Peso A1 A2
C1 20% 0.9 0.1 Prioridad local de las alternativas relativas a C1
C2 80% 0.3 0.7 Prioridad local de las alternativas relativas a C1
0.42 0.58 Prioridad general
Para concluir, el significado de los valores de prioridad general encontrados es que: en general, A2 es la
mejor alternativa de solución, ya que tiene un puntaje global de 0.58 puntos que es mayor que el puntaje
global de A2. Por último, la consistencia de los resultados se verifica aplicando una estimación del índice
de consistencia (C.I.), este valor debe cumplir que 𝐶. 𝐼. ≤ 0.1, para que la solución sea consistente.
LCOE
Finalmente, para presentar el análisis financiero y verificar la conveniencia de la solución en el problema
planteado, es necesario conocer el concepto de LCOE (levelized cost of energy). De acuerdo con Tande
[30], LCOE es el método numérico más común para describir el costo de la energía eléctrica en las plantas
de potencia, este método brinda un costo de producción promedio de una unidad (kWh) en el tiempo de
vida de la planta. Matemáticamente, el LCOE se puede definir como se muestra en la ecuación ( 10 ).
5 De acuerdo con [24], el método utilizado para estimar las prioridades, es un método aproximado que tiene validez y que es un buen método para representar los datos que se obtendrían con el método exacto.
pg. 33
𝐿𝐶𝑂𝐸 =(∑ (
𝐼𝑡 + 𝑀𝑡
(1 + 𝑟)𝑡)𝑛𝑡=1 )
∑ (𝐸𝑡
(1 + 𝑟)𝑡)𝑛𝑡=1
( 10 )[30]
Cada parámetro representa lo siguiente:
𝐿𝐶𝑂𝐸 Es el costo promedio nivelado de la electricidad generada 𝐼𝑡 Es la inversión realizada en el año 𝑡
𝑀𝑡 Es el valor de los costos de mantenimiento y operación en el año 𝑡 𝐸𝑡 Es la energía generada en el año 𝑡 𝑟 Es la tasa de descuento 𝑛 Es la vida útil de cada componente
La ecuación ( 10 ) puede ser resumida como se muestra en la ecuación – siempre y cuando la inversión se
realice en el periodo 𝑡 = 1.
𝐿𝐶𝑂𝐸 ≅ ∑𝐼
𝐸 ∙ 𝑎𝑖
𝑚
𝑖=1
+𝑀
𝐸 ( 11 )[30]
Dónde 𝑎 es el factor de anualidad de cada parte de la inversión, se define matemáticamente como:
𝐿𝐶𝑂𝐸 ≅1
∑ (1 + 𝑟)𝑡𝑛𝑡=1
=1 − (1 + 𝑟)−𝑛
𝑟 ( 12 )[30]
Finalmente, el LCOE tiene como unidades 𝐶𝑂𝑃
𝑘𝑊ℎ.
En el ANEXO 3 se pueden encontrar algunos antecedentes de cogeneración en Colombia.
pg. 34
5. SIMULACIÓN Y RESULTADOS SELECCIÓN DE SISTEMAS DE COGENERACIÓN
En primer lugar, es necesario elegir el lugar de instalación del sistema de cogeneración. Como se mostró
con anterioridad, se tenían dos opciones para llevar a cabo este objetivo (ver Figura 22):
1) Las posiciones en las que se hace efectivo el secado/cocción del ladrillo ( 𝑣𝑎𝑔𝑜𝑛𝑒𝑡𝑎 18) : estas
posiciones fueron postuladas porque la temperatura es mayor en ellas y la transferencia de calor dadas
las condiciones de frontera también es mayor que en otros lugares del horno. Se van a representar
como (𝑃𝑜𝑠1)
2) Las posiciones de salida del horno (𝑣𝑎𝑔𝑜𝑛𝑒𝑡𝑎 28 − 30): se eligieron porque la temperatura de salida
es considerablemente alta y porque en esta posición ya está instalado un sistema de extracción de
calor. Se van a representar como (𝑃𝑜𝑠2)
Sin embargo, es conveniente elegir una de ellas para poder estudiar y modelar de manera más precisa la
solución propuesta en este proyecto. Para ello se tuvieron en cuenta los siguientes criterios generales
(Tabla 18): Tabla 18. Criterios de evaluación
Ubicación Viabilidad técnica Viabilidad económica
𝑃𝑜𝑠1
El calor que se pierde a través de las paredes del horno en 𝑃𝑜𝑠1 es aproximadamente 122 𝑘𝑊,un valor considerable e importante teniendo en cuenta el consumo energético de la ladrillera. Sin embargo, la forma en la que se debería extraer no es clara e implicaría extraerlo de la pared de ladrillo.
El hecho de implementar un sistema de extracción nuevo puede implicar mayores costos de inversión. Además, según recomendaciones de la literatura es mejor implementar sistemas de recuperación de energías maduros y conocidos.
𝑃𝑜𝑠2
Teniendo en cuenta que ya se conoce el potencial de generación de energía eléctrica de este punto, se puede decir que el calor de entrada disponible para el sistema de generación tiene un valor razonable y analizando la literatura, se encuentra que hay más opciones técnicas para este tipo de sistemas.
Utilizar el sistema de extracción actual puede implicar menores costos de inversión y por ende menos LCOE.
De acuerdo con lo anterior, sabiendo que la solución planteada en 𝑃𝑜𝑠2 es menos compleja y puede tener
una reducción de costos de inversión se eligió 𝑃𝑜𝑠2 como ubicación de la fuente de calor del sistema de
cogeneración.
pg. 35
Figura 22. Ubicaciones potenciales de la fuente de calor
De otro modo, para la selección del sistema de cogeneración que se va a analizar, es necesario tener en
cuenta las características térmicas de la ubicación de la fuente de calor en la ladrillera visitada. Teniendo
en cuenta que la temperatura en este lugar oscila entre los 300 y los 400 °C y basándose en la información
presentada en la Figura 16, se decidió que los sistemas de cogeneración más convenientes para este
proyecto son: ORC y SRC. Sin embargo, de acuerdo con la teoría [22], las propiedades termodinámicas del
agua en el SRC conducen a turbinas de etapas múltiples e intensivas en capital, así como a esquemas
complejos de plantas y a la formación de líquidos durante la expansión; Estas limitaciones hacen que el
agua sea un fluido de trabajo no adecuado para aplicaciones de bajas temperaturas y baja potencia de
salida. Además, después de revisar algunos documentos ([11],[18],[23],[26],[31]) en los que se
presentaban condiciones de presión y temperatura de entrada similares, se puedo determinar que la
mejor opción es el sistema, basado en el ORC.
SELECCIÓN DE FLUIDOS DE TRABAJO
Continuando con la información anterior, fue necesario elegir los fluidos de trabajo con los que se iba a
modelar el sistema para la solución. Se revisó la teoría [22] y se encontró una tabla con un gran número
de fluidos de trabajo del ciclo Rankine orgánico6, sin embargo después de aplicar los criterios de selección
del fluido de trabajo presentados en la parte introductoria de este documento, además de la información
suministrada por Chacartegui [11] y Yagli [34] y se seleccionaron 3 opciones para el modelamiento:
tolueno, octano y ciclohexano. Las propiedades de estos fluidos se presentan en la Tabla 19. De manera
similar se encontró que para que los fluidos de trabajo puedan ser usados, deben cumplir con un
requerimiento importante, mencionado en la literatura [13]: los fluidos de trabajo deben tener un ODP de
0 y un pequeño GWP, entonces, en la Tabla 20 presenta las propiedades ambientales de los fluidos de
trabajo seleccionados.
6 Ver tabla con los fluidos de trabajo para el ORC en [22].
pg. 36
Tabla 19. Propiedades de los fluidos de trabajo seleccionados (Datos tomados de [6]–[8], [22])
Tolueno Ciclohexano Octano
𝑇𝐶𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑎 [°𝐶] 319 280 296
𝑃𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑎[𝑘𝑃𝑎] 4130 4075 2500
Clase y categoría de peligro
Líquido inflamable Flam. Liq. 2 Flam. Liq. 2 Flam. Liq. 2
Corrosión e irritación cutánea
Skin Irrit. 2 Skin Irrit. 2 Skin Irrit. 2
Peligro por aspiración Asp. Tox 1 Asp. Tox 1 Asp. Tox 1
Peligro para el medio ambiente
Aquatic 1 Aquatic 1 Aquatic 1
Tabla 20. Propiedades ambientales de los fluidos seleccionados (Tomado de [19], [22])
Tolueno Ciclohexano Octano
GWP 3 4-6 4-6
ODP 0 0 0
ESPECIFICACIONES DE DISEÑO
En primer lugar, es necesario presentar y reconocer las características comerciales de la bomba,
intercambiador de calor, condensador y turbina. En la Tabla 21 y en la Tabla 22 se pueden apreciar estas
características (si el espacio en la tabla está vacío es porque el proveedor no especificó esta característica).
Tabla 21. Referencias comerciales elementos. Parte 1
Bomba-motor Turbina
Marca Grundfos WEG
Referencia CRNE 3-23 -
𝜂 48.2% 80%
Tabla 22. Referencias comerciales elementos. Parte 2
Condensador Intercambiador de calor
Marca Thermocoil -
Referencia CRT-1910V Intercambiador de tubos y carcaza
Caída de presión 4% 2%
𝜂 - -
De manera similar los datos comerciales de la tubería seleccionada se presentan en la Tabla 23.
Tabla 23. Referencias comerciales tubería seleccionada (Link 1)
El último paso del diseño fue determinar los accesorios que deben ser utilizados en el montaje del sistema,
la Tabla 24 muestra los accesorios seleccionados además de su precio unitario y la cantidad utilizada.
Descripción Detalles Precio
Marca: Wheatland Referencia: 47021000
1-1/4" standard black pipe, T&C, A53. USD 3.18/ft
pg. 37
Tabla 24. Accesorios para la solución propuesta
Descripción COP/unidad Cantidad
Manómetro
Manómetro con separador de membrana soldada 0
a 60 bar (Link 6) 108.950 4
Termómetros 212.000 4
Codos
1-1/4 in. 150# Stainless Steel Pipe Fitting 90 Degree Elbow 304 SS NPT Threaded (Link 5)
42.398 8
Válvulas Globo
Newco 28S-FS2 Manual 800 Acero Soldadura Zócalo
1-1/4in Globe Válvula (Link 7) 148.000 1
De Bola
Apollo 70-146-01 1 y 1/4" en Línea Válvula de bola
(Link 8) 120.000 3
Después de conocer los elementos comerciales, se procede a organizar y explicar la configuración de cada
elemento en la solución planteada:
- Configuración del intercambiador de calor: de acuerdo con el proveedor de calor consultado, la mejor
opción para la solución es la utilización de un intercambiador de calor de tubos y coraza con uniones
soldadas. Un aspecto funcional para tener en cuenta es que el fluido caliente (gases de desecho) va a
pasar por la coraza y el fluido frío (fluido de trabajo) tiene que pasar por dentro de los tubos. Otro
aspecto importante es el relacionado con el sentido de flujo en los tubos y la coraza: los dos fluidos
deberían ir en contraflujo para asegurar que la transferencia de calor sea mejor. De modo similar, es
necesario evaluar exactamente el diseño, ya que el delta de temperatura entre la entrada y salida del
fluido de trabajo en este componente es muy grande y puede ocasionar daños en las soldaduras del
intercambiador. Por ello, la recomendación respecto a este elemento es usar dos etapas de
calentamiento del fluido de trabajo. Aunque no se especifica exactamente las referencias comerciales
porque estas dependen del diseño de la empresa, el valor comercial estimado se muestra en la Tabla
29.
- Se van a utilizar una serie de termómetros de alta temperatura y manómetros de altas presiones y
temperatura entre cada una de las etapas del proceso. Lo anterior con un fin específico: es importante
mantener un control de estas propiedades del fluido de trabajo, tanto para asegurar que las etapas de
trabajo del ORC sean adecuadas, como para asegurar que los valores de temperatura y presión en
cada etapa sean los adecuados para evitar daños en los elementos comerciales (turbina,
intercambiador de calor, bomba y condensador).
- Teniendo en cuenta el punto anterior, es necesario controlar de alguna manera la presión y la
temperatura en cada punto. Para ello se proponen dos tipos de válvulas: de globo y de bola. El primer
tipo de válvula será utilizado en la entrada de la bomba, ya que en ese punto se necesita mayor control
de la presión, esto con el fin de evitar la cavitación y por ende daño de este componente. El segundo
tipo se usa en las otras posiciones de la solución, en este caso se utilizó válvulas de bola con el fin de
economizar los recursos invertidos en estas y porque en los puntos en los que están ubicadas se
necesita un accionamiento más rápido para evitar daños en los componentes (generalmente se usan
para bajar la presión del fluido, entonces necesitan abrirse rápidamente en caso de encontrar una
novedad en la presión en un punto dado)
- Los codos se usan debido a los requerimientos geométricos del horno y la configuración diseñada.
pg. 38
- La tubería seleccionada asegura que el fluido pueda recorrer el sistema de manera adecuada y se
asegura que la presión máxima del mismo sea mucho menor a la presión máxima soportada por la
tubería.
- El volumen de líquido de trabajo se estima teniendo en cuenta la longitud total de la tubería (depende
totalmente de la geometría del horno, al igual que la configuración de los codos) y el área transversal
de la misma, además teniendo en cuenta el área trasversal de los componentes se hace un cálculo
general del volumen requerido, este se muestra más adelante.
- Una consideración importante dentro del diseño es la relacionada con la extracción de calor del horno.
Como se mencionó con anterioridad, el intercambiador de calor recibe los gases de desecho (fluido
caliente) y comienza el proceso de intercambio de calor con el fluido de trabajo. Sin embargo, para
asegurar que el intercambio de calor sea el adecuado, se necesita un flujo másico específico y por lo
tanto un sistema de extracción propio. Por fortuna, la ladrillera estudiada tiene un sistema de
extracción que cumple con los requerimientos de la solución, este es usado en el proceso de pre
secado, pero como se verá más adelante, el calor destinado a este proceso va a pasar a ser parte del
calor de entrada al sistema ORC. Por lo tanto, se puede utilizar este sistema de extracción de ventilador
centrífugo ya implementado para la solución propuesta. La estimación del valor comercial se muestra
en la Tabla 29.
Es importante mencionar que la potencia eléctrica consumida por este componente está incluida en
la potencia eléctrica total de consumo de la ladrillera que se menciona más adelante.
SIMULACIÓN
Como se mencionó al inicio de este documento, se modeló el sistema de cogeneración utilizando el
programa especializado EES [20]. El código de simulación se encuentra en el ANEXO 3. El código está
basado en las ecuaciones ( 1 ) - ( 5 ). Para ello se tuvo en cuenta, tanto las características comerciales
mostradas en la sección anterior, como las propiedades de cada fluido de trabajo.
La primera estimación realizada está relacionada con la elección de la tubería a utilizar (ver Tabla 25). Los
datos mostrados allí son importantes porque permiten calcular las pérdidas de presión características del
flujo en tuberías. Tabla 25. Estimación datos tubería necesaria
Datos tubería
Q [𝑚3/𝑠] 0,00103
V [𝑚/𝑠] 1,5
D [𝑖𝑛] 1,25
L [𝑚] 21,9
𝑃𝑚á𝑥 [𝑘𝑃𝑎] 1835
A continuación, se prosiguió con el cálculo de datos característicos que permitieran la estimación final del
LCOE. Es importante mencionar que para calcular el flujo másico en la solución se tuvo en cuenta la energía
disponible calculada con anterioridad. Es decir, después de conocer las entalpías específicas en cada punto
del sistema, se procedió a calcular �̇� despejando de la ecuación ( 3 ), lo anterior porque ya se conocía �̇�𝑖𝑛.
Adicionalmente, fue necesario calcular el valor de caudal, con el fin de elegir la bomba más conveniente.
De este modo, teniendo en cuenta el valor de �̇�, se procedió a determinar el caudal utilizando la definición
pg. 39
que propone la literatura [33]: 𝑄 = �̇� × 𝜌𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 . En la simulación se tuvo en cuenta la potencia de
pérdidas que estuvo relacionada con lo siguiente: pérdidas por fricción en tuberías y potencia de
alimentación para los componentes (condensador, bomba, ventilador; este último no se escribió
directamente en el código porque, como se mencionó antes, ya estaba contemplado en la potencia
eléctrica total consumida por la ladrillera).
Por último, los datos obtenidos se muestran en la Tabla 26. Tabla 26. Datos obtenidos con la simulación en EES
Puntos Tolueno Ciclohexano Octano
ℎ [𝑘𝐽/𝑘𝑔]
1 -137.80 54.31 26.55
2 -136.40 55.61 27.90
3 619.90 881.00 880.10
4 433.70 632.60 615.90
𝑞𝑖𝑛
[𝑘𝐽/𝑘𝑔]
756.34 825.36 852.23
𝑞𝑜𝑢𝑡 571.54 578.39 589.37
𝑤𝑖𝑛 2.91 2.70 2.81
𝑤𝑜𝑢𝑡 148.91 198.75 211.40
�̇�𝑖𝑛
𝑘𝑊
661.80 647.60 602.70
�̇�𝑝𝑢𝑚𝑝 2.55 2.12 1.99
�̇�𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑒 130.3 156.20 149.50
�̇�𝐿𝑜𝑠𝑠𝑒𝑠 0.021 0.019 0.017
𝜂𝑂𝑅𝐶 [%] 17.93 22.38 22.95
�̇� [𝑘𝑔/𝑠] 0.88 0.78 0.707
�̇� [𝑚3/ℎ ] 3.70 3.70 3.70
De manera similar, en la Tabla 27 y en la Figura 23 se muestran los resultados de potencia eléctrica que se
obtiene a partir de cada uno de los fluidos de trabajo evaluados. Para convertir los datos mencionados en
energía eléctrica y posteriormente calcular LCOE, es necesario establecer un factor de planta (F.P) para el
sistema de solución propuesto, de acuerdo a la literatura [21], este valor varía desde 33% hasta 52%. Sin
embargo, de acuerdo con un ejemplo real mostrado en el mismo documento [21], para una planta que
produce aproximadamente 150 kW, el factor de planta es 38%.
Tabla 27. Potencia eléctrica entregada para cada uno de los fluidos de trabajo
Potencia eléctrica entregada por la
planta
Tolueno 118,60
[𝑘𝑊] Ciclohexano 144,90
Octano 138,40
Teniendo en mente el factor de planta obtenido, se procede a calcular la energía eléctrica anual disponible:
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 ∗ 𝐹𝑃 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒
Los resultados de muestran a continuación (Tabla 28 y Figura 24). Tabla 28. Energía eléctrica disponible para cada uno de los fluidos de trabajo
Energía eléctrica disponible
Tolueno 394,87
[𝑀𝑊ℎ/𝑎ñ𝑜] Ciclohexano 482,47
Octano 460,54
pg. 40
Figura 23. Gráfica de potencia eléctrica entregada por cada fluido de trabajo
Figura 24. Gráfica de energía eléctrica producida por cada fluido de trabajo
LCOE
Por otro lado, conociendo los fatos de potencia y energía eléctrica que produciría el sistema de
cogeneración propuesto anualmente, se procede a estimar el valor del LCOE. Para esto se utilizan los datos
mostrados en la Tabla 29 y en la Figura 25, dichos datos son tomados de referencias comerciales y la
unidad monetaria utilizada es Peso colombiano (COP).
La vida útil de todos los componentes es 10 años, excepto el fluido de trabajo, este tiene una vida útil de
6 meses. El mantenimiento y costos de operación son anuales y la instalación se hace sólo en el año 0. La
estimación del costo de instalación (𝐼𝑛𝑠), mantenimiento y operación (𝑂𝑀) se hizo teniendo en cuenta la
información de la literatura, que dice que:
𝑂𝑀 = 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ∗ 17%
𝐼𝑛𝑠 = 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ∗ 20%
0 50 100 150
Tolueno
Cyclohexano
Octano
Potencia eléctrica entregada [kW]
0 100 200 300 400 500
Tolueno
Cyclohexano
Octano
Energía anual producida [MWh/año]
pg. 41
Tabla 29. Datos de inversión para la solución diseñada
Inversión inicial (año 0) COP ($)
Bomba y motor 23.603.400
Turbina 205.290.000
Generador 500.000
Condensador 54.502.000
Intercambiador de calor 100.000.000
Tubería 787.384
Accesorios diseño 2.120.000
Inversor AC/DC 400.000
Sistema de extracción 10.000.000
Total 396.500.784
Precio líquido COP ($/L)
Tolueno (Link 2) 42.953
Ciclo hexano (Link 3) 146.950
N-octano (Link 4) 408.872
Mantenimiento y operación 67.410.000
Instalación 39.650.000
Continuando con lo anterior, teniendo en cuenta las ecuaciones ( 11 ) y ( 12 ) se procedió a estimar el LCOE
para cada uno de los fluidos de trabajo analizados. Los resultados se muestran en la Tabla 30.
Tabla 30. Datos de LCOE obtenidos para la solución
LCOE
Tolueno 368,00
[COP/kWh] Ciclohexano 305,30
Octano 337,00
Figura 25. LCOE para cada fluido de trabajo
260 280 300 320 340 360
Tolueno
Cyclohexano
Octano
LCOE [COP/kWh]
pg. 42
6. EVALUACIÓN
En primer lugar, es pertinente recalcar que el sistema evaluado puede considerarse como un sistema de
cogeneración porque de acuerdo con los resultados, el sistema propuesto es capaz de producir energía
eléctrica y energía en forma de calor, a partir de una fuente de energía única que en este caso es la energía
producto de los gases de desecho de la ladrillera evaluada. La potencia eléctrica producida, que está
alrededor de 150 kW, hace que el sistema de cogeneración propuesto sea una planta mediana de
producción de energía. Además, está forma de energía (eléctrica) puede ser utilizada para alimentar la red
eléctrica de la empresa. Dado que la energía eléctrica producida está alrededor de 500 MWh/año y la
empresa necesita aproximadamente 710 MWh/año para poder funcionar en su totalidad, se puede decir
que el sistema seleccionado no es capaz de abastecer en su totalidad la demanda de energía eléctrica de
la empresa anualmente. Sin embargo, el resultado obtenido es razonable y sugiere que el 70% de la
energía podría ser obtenida del sistema de cogeneración propuesto, lo cual es una ventaja del sistema de
cogeneración, porque de este modo se lograría que la empresa comience a independizarse de la red
eléctrica actual y dé el siguiente paso hacia la implementación de un sistema de energía eléctrica más
limpio que contribuya de manera activa a la conservación del medio ambiente. De modo similar, la otra
forma de energía que se obtendría con la solución es la energía que se extrae del fluido de trabajo en el
proceso de condensación. Esta energía puede ser utilizada en el proceso de pre secado del ladrillo que
posteriormente entrará al horno, como se vio al inicio de la presentación de resultados la potencia
requerida para esta etapa del proceso es 682 kW, además según los resultados obtenidos, el flujo calor de
salida del condensador es 520 kW. De nuevo, se puede observar que la potencia de salida no es suficiente
para llevar a cabo el proceso de pre secado en su totalidad, lo cual constituye una desventaja del sistema
de cogeneración propuesto.
Por otro lado, es de suma importancia elegir la mejor opción entre los fluidos de trabajo evaluados. Para
ello se tienen en cuenta varios criterios, de tal manera que se pueda aplicar el método AHP que se explicó
en la parte introductoria de este documento. La Figura 26 muestra la división jerárquica que se empleará
para la evaluación. En primer lugar, está el criterio relacionado con las propiedades de cada fluido de
trabajo, este criterio es importante porque brinda un panorama general de los fluidos de trabajo, es decir
brinda la información necesaria para establecer los límites de las condiciones de trabajo (temperatura y
presión) y además permiten establecer la conveniencia de cada fluido en cuanto a compatibilidad con los
materiales de los elementos de trabajo, estabilidad y seguridad para los operarios y usuarios de este
sistema de cogeneración. Es importante mencionar, que los tres fluidos de trabajo tienen propiedades (en
cuanto a seguridad se refiere) similares, sin embargo, el más flexible (que podría trabajar en un rango más
amplio de temperaturas) en términos de presión y temperatura es el tolueno.
El siguiente criterio está relacionado con los aspectos ambientales. Como se mencionó al inicio, una de las
motivaciones principales para desarrollar este proyecto fue la preocupación por el cuidado y conservación
del medio ambiente, entonces este criterio está directamente relacionado con los efectos de cada fluido
de trabajo en la capa de ozono y la influencia de estos en el calentamiento global. Como se vio con
anterioridad (Tabla 20) el índice ODP de todos los fluidos de trabajo tiene un valor de cero, sin embargo,
el índice de GWP tiene un mayor valor en el octano y en el ciclohexano, mientras que el tolueno tiene el
valor más bajo entre los tres. Aunque los valores mencionados no tienen una diferencia notoria entre sí,
pg. 43
es importante mencionar que como la solución se presenta para un largo periodo de tiempo, la
importancia de esa pequeña diferencia puede ser determinante en la solución.
Otro de los criterios es el relacionado con los aspectos comerciales. Este criterio es importante porque
como se mencionó al comienzo, un fluido de trabajo debe estar comercialmente disponible y además debe
tener un precio conveniente. De acuerdo con los resultados obtenidos se puede decir que el mejor en este
criterio es el tolueno. Por último, está el criterio relacionado con los aspectos operacionales. Este es de
suma importancia porque va a determinar la cantidad de energía que se logra extraer del sistema y
también el LCOE para evaluar la viabilidad económica de la solución propuesta. Al observar los resultados
obtenidos se puede concluir que, para este criterio el mejor fluido de trabajo es el ciclohexano.
Figura 26. Análisis AHP de la solución
Sin embargo, como se expresó en la parte introductoria del documento, es necesario cuantificar la
importancia o el peso de cada uno de los criterios en la solución que se presenta en el documento. Es por
ello que se crearon las matrices mostradas en la Tabla 31 y la Tabla 32, en la primera se puede observar
que, en orden creciente, los criterios tienen el siguiente peso en la selección del fluido de trabajo:
propiedades (7,5%), aspectos comerciales (12%), aspectos operacionales (38,1%), aspectos ambientales
(42,4%). Una vez más se ratifica la importancia de los aspectos ambientales y también la importancia de
los aspectos operacionales en la solución. De modo similar, en la Tabla 32, se muestra la matriz de
Selección de fluido de trabajo
Propiedades
Temperatura crítica
Presión crítica
Estabilidad
Toxicidad
Flamabilidad
Corrosividad
Aspectos ambientalesGWP
ODP
Aspectos comercialesDisponibilidad comercial
Precio específico
Aspectos operacionalesLCOE
Energía eléctrica generada
pg. 44
prioridad general7 y en ella se puede observar la prioridad parcial de cada fluido de trabajo respecto a los
criterios propuestos, además del puntaje global de cada uno de ellos. En orden creciente, el puntaje de la
prioridad general para cada fluido es 36.18% para el tolueno, 42.42% para el ciclohexano y 21.40% para el
n-Octano. Tabla 31. Peso para cada uno de los criterios de análisis
Propiedades Ambientales Comerciales Operacionales Peso
Propiedades 1 0,25 0,5 0,167 7,5%
Aspectos
Ambientales 4 1 3 2 42,4%
Comerciales 2 0,33 1 0,2 12,0%
Operacionales 6 0,5 5 1 38,1%
Tabla 32. Matriz de comparación para los fluidos de trabajo seleccionados
Tolueno Ciclohexano Octano
Criterios
Propiedades 7,5% 0,63 0,29 0,08
Aspectos
Ambientales 42,4% 0,50 0,25 0,25
Comerciales 12,0% 0,63 0,29 0,08
Operacionales 38,1% 0,07 0,69 0,24
36,18% 42,42% 21,40%
Para finalizar, es preciso mencionar que el fluido de trajo más conveniente es el ciclohexano, ya que tiene
la puntuación más alta después de realizar el análisis jerárquico. Entonces en la solución propuesta se
incluye el ciclohexano como fluido de trabajo y se obtiene que, comparando el LCOE con el valor que paga
la empresa por cada kWh consumido es menor y por lo tanto la solución cumple con los requerimientos
financieros propuestos en los objetivos del proyecto.
7 Las matrices de cálculo de la prioridad parcial de cada uno de los fluidos respecto a cada criterio se pueden encontrar de manera detallada en el ANEXO 2.
pg. 45
7. CONCLUSIONES
Después de una visita industrial a la ladrillera Tablegres S.A.S se logró caracterizar de manera efectiva su
desempeño energético, del mismo modo se pudo determinar de manera cualitativa su disponibilidad
energética. De manera similar, se propuso un diseño conceptual del ciclo Rankine orgánico, que sería
utilizado como sistema de cogeneración en la ladrillera Tablegres. Se consideraron datos técnicos y
económicos de cada elemento a incluir en el diseño y finalmente se consultó los precios de cada uno de
ellos, gracias a esto, se pudo evaluar la viabilidad técnica del sistema de cogeneración propuesto. Teniendo
en cuenta lo anterior, se realizó una evaluación del diseño conceptual propuesto con anterioridad y se
consiguió modelar mediante simulaciones en EES el comportamiento del sistema basado en el ciclo
Rankine orgánico. Se estudió principalmente el comportamiento de tres fluidos de trabajo: tolueno,
ciclohexano y n-Octano. Finalmente, mediante un análisis del LCOE de la solución propuesta, se logró
evaluar el impacto económico (COP/kWh) que tienen los sistemas de cogeneración propuestos.
Como conclusión general del proyecto desarrollado, se puede afirmar que la implementación de sistemas
de cogeneración utilizando el calor de desecho generado en los hornos de la industria ladrillera en
Colombia es económica y técnicamente viable. En adición a lo anterior, es importante hacer un énfasis en
el enfoque que se le dio al proyecto, desde el inicio se mencionó la importancia del impacto ambiental de
la solución y fue por ello que después de realizar el respectivo análisis AHP se determinó que el ciclohexano
era el fluido de trabajo más conveniente, además de que los resultados mostraron que es
económicamente viable la implementación del ORC en una ladrillera colombiana y que este aspecto puede
traer beneficios a la empresa evaluada.
pg. 46
POSIBLES EXTENSIONES O TRABAJOS FUTUROS - Un trabajo importante, que podría desarrollarse es estudiar el desempeño de un ciclo de Rankine
compuesto, con varias etapas de precalentamiento. Lo anterior por dos razones principales: la primera
es que, de acuerdo a la literatura, [22], cuando se realizan varias etapas de precalentamiento se puede
aumentar la eficiencia general del sistema de cogeneración. Adicionalmente, se puede observar que
el flujo de calor en la salida del condensador tiene un gran potencial para ser una fuente de
precalentamiento dentro del sistema de cogeneración propuesto, es decir el flujo de calor en este
punto es lo suficientemente alto para convertirse en una fuente de calor. Aunque esto implicaría la
utilización de elementos adicionales (como intercambiadores de calor adicionales), es interesante
saber si la solución propuesta puede ser mejorada y/o optimizada.
- Estudiar una forma conveniente para poder aprovechar el calor desechado por el condensador cuando se realiza la condensación del fluido de trabajo. En este punto se hace referencia al estudio de un sistema de recuperación del calor obtenido en la condensación del fluido de trabajo y la utilización de este en el proceso de pre secado del ladrillo. Este punto es importante porque, aunque en la solución presentada se menciona que se va a utilizar en el proceso de pre secado, el sistema de recuperación no es tan claro y prácticamente, no se tiene una idea tan acertada del mismo.
pg. 47
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pg. 50
ANEXOS ANEXO 1. TIPOS DE HORNOS EN COLOMBIA
Tabla 33. Tipos de hornos en Colombia (Tomado de [12]
Horno Tipo
Fuego dormido
Artesanal Árabe o Pampa
Colmena
Baúl
Hoffman
Mecanizado
Túnel
Rodillos
Semicontinuo
Zigzag
Vagón
ANEXO 2. CÁLCULOS DETALLADOS AHP PARA ELEGIR LA MEJOR OPCIÓN EN LA SOLUCIÓN Tabla 34. Matriz de comparación para las alternativas teniendo en cuenta el criterio de propiedades
PROPIEDADES
Tolueno Ciclohexano Octano Puntaje
Tolueno 1 3 6 0,63
Ciclohexano 0,33 1 5 0,29
Octano 0,17 0,20 1 0,08
Tabla 35. Matriz de comparación para las alternativas teniendo en cuenta el criterio de aspectos comerciales
ASPECTOS Comerciales Tolueno Ciclohexano Octano Puntaje
Tolueno 1 3 6 0,63
Ciclohexano 0,33 1 5 0,29
Octano 0,17 0,20 1 0,08
Tabla 36. Matriz de comparación para las alternativas teniendo en cuenta el criterio de aspectos operacionales 1
ASPECTOS Operacionales Tolueno Ciclohexano Octano Puntaje
Tolueno 1 0,125 0,25 0,07
Ciclohexano 8,00 1 3 0,67
Octano 4,00 0,33 1 0,26
Tabla 37. Matriz de comparación para las alternativas teniendo en cuenta el criterio de aspectos operacionales 2 (LCOE)
ASPECTOS Operacionales LCOE
Tolueno Ciclohexano Octano Puntaje
pg. 51
Tolueno 1 0,25 4 0,23
Ciclohexano 4 1 8 0,70
Octano 0,25 0,125 1 0,07
Tabla 38. Matriz de comparación para las alternativas teniendo en cuenta el criterio de aspectos ambientales
ASPECTOS Ambientales Tolueno Ciclohexano Octano Puntaje
Tolueno 1 3 3 0,60
Ciclohexano 0,33 1 1 0,20
Octano 0,33 1 1 0,20
Tabla 39. Índices de consistencia
Índice de consistencia
C.I.
Peso criterios 0,10 Aceptable
Propiedades 0,08 Aceptable
Aspectos
Comerciales 0,08 Aceptable
Operacionales 0,02 Aceptable
0,05 Aceptable
Ambientales 0,00 Aceptable
ANEXO 3. CÓDIGO EES "P=pump" "HE=heat exchanger" "T=turbine" "C=condenser" 1. TOLUENO "P=pump" "HE=heat exchanger" "T=turbine" "C=condenser" "DATA" T_in_HE_C=280 [C] "Temperature of fluid: HE out" T_in_HE=(T_in_HE_C+273,15) "[K]" "Temperature of fluid: HE out" Q=3,701 [m^3/h] "Caudal in ORC, assuming that fluid is incompressible this value don't change" Q=m_dot*v_1*3600 "m_dot [kg/s]" "Estimation of mass flow rate" "Pipe flow" D_pipe=1,25*convert(inch;m) "Diameter of steel pipe, taken from a catalogue of this kind of pipes" Area_pipe=pi*(D_pipe^2)/4 "Transversal Area of selected pipe" V=Q/(3600*Area_pipe) "Velocity of fluid inside pipe" mu=Viscosity(Toluene;T=T_1;x=x_1) viscosity=mu*v_1 Re=V*D_pipe/viscosity "Reynolds number of fluid" L=21,9 [m] "Length of pipe"
pg. 52
e=L/D_pipe "Length-diameter relation" f=64/Re "Friction factor, it is known that this application have a laminar behavior" "Accesories" N_M=4 "Number of manometers" N_Ter=4 "Number of thermometers" N_elb=8 "Number of elbows" N_valves=4 "Number of valves" "loss coefficients" lc_elb=1,5 "loss coefficient of elbows" lc_valves=4 "loss coefficient of valves" kT=lc_valves*N_valves+lc_elb*N_elb "loss coefficient of valves:TOTAL" "Losses" P_l=(f*e+kT)*(V^2)/(2*9,81) "[Pa]" "Pressure drop for losses" W_l=P_l*((Q/3600)*9,81/v_1) "[W]" "W_losses: due to friction and accessories" "Pump" ETA_P= 0,482"Pump efficiency" H_P=217,07 [m] "Head" N_P=1 "Number of pumps required" "Turbine/generator" ETA_T=0,8 "Turbine/generator efficiency" "Heat exchanger" ETA_HE=1 "Heat exchanger efficiency" T_3=T_in_HE*ETA_HE pdf_HE=0,98 "Pressure drop factor: it means that pressure of 2% of total pressure is lost in the liquid due to the characteristics of HE" "Condenser" pdf_C=0,98 "Pressure drop factor: Pressure drop factor: it means that pressure of 2% of total pressure is lost in the liquid due to the characteristics of condenser" W_C_c=41,5*220 "[W]" "Power consumed for condenser" "____ANALYSIS FOR TOLUENE:1_____" TC_1=t_crit(Toluene) "[K]" PC_1=p_crit(Toluene) "[kPa]" "4-1 Condensation" "1-2 Compression" "2-3 Heating" "3-4 Expansion" "Point 4" P_4=P_1/pdf_HE "[kPA]" "in condenser" T_4=155+273,15 "[K]" "depends on condenser design temperature" "Turboden catalogue" h_4=enthalpy(Toluene;T=T_4;P=P_4) x_4=Quality(Toluene;T=T_4;h=h_4) "Point 1" T_1= 310 [K] "T_out condenser" P_1=P_sat(Toluene;T=T_1) "[kPa]" "Pressure of saturation to T_standar" x_1=0 "Saturated liquid" h_1=Enthalpy(Toluene;T=T_1;x=x_1) "Enthalpy out condenser" v_1=Volume(Toluene;T=T_1;x=x_1) "Specific volume out condenser"
pg. 53
"Point 2" DELTA_p=H_P*9,8/(v_1*1000)*N_P P_2=P_1+DELTA_p "[kPa]" "Depends on Head from selected pump" T_2=T_1 h_2=Enthalpy(Toluene;T=T_2;P=P_2) v_2=Volume(Toluene;T=T_2;P=P_2) "Specific volume out condenser" "Point 3" P_3=P_2*pdf_HE h_3=enthalpy(Toluene;T=T_3;P=P_3) "POWER" W_p=(h_2-h_1)*m_dot/ETA_P "Power consumed for pump" W_t=(h_3-h_4)*ETA_T*m_dot "Power generated by the turbine" W_consumed=(W_l+W_C_c)/1000 [kW] "Power consumed by the condenser" W_net=W_t-W_p-W_consumed "Net power of solution, power used in the estimation of total energy" Q_dot_in_teoric=930 [kW] " Real available heat" Q_dot_in=(h_3-h_2)*m_dot "Available heat:equivalent to 70% (HE_efficiency) of real available heat " Q_dot_out=(h_4-h_1)*m_dot "Heat from condenser" ETA_solution=W_net/Q_dot_in*100 "Rankine cycle efficiency" "Available energy (year)" CF=0,38 "capacity factor ORC" HY=365*24*CF "equivalent hours/year" Energy=W_net*HY "kWh/year" "LCOE" "G=Generator" "Inv=Inverter AC DC" "Acc=Accessories" "ExS=Extraction system" price_EUR=3807 "COP" price_USD=3447 "COP" I_P_e=6200 "EUR" I_P=I_P_e*price_EUR "COP" I_HE=100*10^6 "COP" I_C=54,502*10^6 "COP" I_T=205*10^6 "COP" I_G=500000 "COP" I_inv=400000 "COP" I_pipe_d=3,18 "USD/ft" I_pipe=I_pipe_d*L*3,28*price_USD "COP" I_acc=2120000 "COP" I_ExS=10*10^6 "COP" I_total=I_P+I_HE+I_C+I_T+I_G+I_pipe+I_acc +I_ExS"COP" "Working fluids price" I_cyc=price_EUR*37,55*L*Area_pipe*1000 "COP" "lifetime" nn_P=10 "years" nn_HE=10 "years" nn_C=10 "years" nn_T=10 "years" nn_G=10 "years"
pg. 54
nn_pipe=10 "years" nn_cyc=0,5 "years" nn_acc=1 "years" nn_inv=10 "years" nn_ExS=20 "years" "discount rate" r=0,1 "annuity factor" a_P=(1-((1+r)^(-nn_P)))/r a_HE=(1-((1+r)^(-nn_HE)))/r a_C=(1-((1+r)^(-nn_C)))/r a_T=(1-((1+r)^(-nn_T)))/r a_G=(1-((1+r)^(-nn_G)))/r a_pipe=(1-((1+r)^(-nn_pipe)))/r a_cyc=(1-((1+r)^(-nn_cyc)))/r a_acc=(1-((1+r)^(-nn_acc)))/r a_ins=(1-((1+r)^(-10)))/r a_inv=(1-((1+r)^(-nn_inv)))/r a_ExS=(1-((1+r)^(-nn_ExS)))/r "Annual equivalent investment" ii_P=I_P/a_P ii_HE=I_HE/a_HE ii_C=I_C/a_C ii_T=I_T/a_T ii_G=I_G/a_G ii_pipe=I_pipe/a_pipe ii_cyc=I_cyc/a_cyc ii_acc=I_acc/a_acc ii_ins=ins/a_ins ii_inv=I_inv/a_inv ii_ExS=I_ExS/a_ExS ii_total=ii_P+ii_HE+ii_C+ii_T+ii_G+ii_pipe+ii_cyc+ii_acc+ii_ins+ii_inv+ii_ExS"Annual equivalent costs" "O&M" per=0,17 "percentage of total investment: operation and maintenance" OM=I_total*per "annual costs of maintenance and operation" per2=0,1 "percentage of total investment: installation" Ins=I_total*per2 "price of investment for installation" n-OCTANO "P=pump" "HE=heat exchanger" "T=turbine" "C=condenser" "DATA" T_in_HE_C=280 [C] "Temperature of fluid: HE out" T_in_HE=(T_in_HE_C+273,15) "[K]" "Temperature of fluid: HE out" Q=3,701 [m^3/h] "Caudal in ORC, assuming that fluid is incompressible this value don't change" Q=m_dot*v_1*3600 "m_dot [kg/s]" "Estimation of mass flow rate" "Pipe flow" D_pipe=1,25*convert(inch;m) "Diameter of steel pipe, taken from a catalogue of this kind of pipes" Area_pipe=pi*(D_pipe^2)/4 "Transversal Area of selected pipe"
pg. 55
V=Q/(3600*Area_pipe) "Velocity of fluid inside pipe" mu=Viscosity(Toluene;T=T_1;x=x_1) viscosity=mu*v_1 Re=V*D_pipe/viscosity "Reynolds number of fluid" L=21,9 [m] "Length of pipe" e=L/D_pipe "Length-diameter relation" f=64/Re "Friction factor, it is known that this application have a laminar behavior" "Accesories" N_M=4 "Number of manometers" N_Ter=4 "Number of thermometers" N_elb=8 "Number of elbows" N_valves=4 "Number of valves" "loss coefficients" lc_elb=1,5 "loss coefficient of elbows" lc_valves=4 "loss coefficient of valves" kT=lc_valves*N_valves+lc_elb*N_elb "loss coefficient of valves:TOTAL" "Losses" P_l=(f*e+kT)*(V^2)/(2*9,81) "[Pa]" "Pressure drop for losses" W_l=P_l*((Q/3600)*9,81/v_1) "[W]" "W_losses: due to friction and accessories" "Pump" ETA_P= 0,482"Pump efficiency" H_P=217,07 [m] "Head" N_P=1 "Number of pumps required" "Turbine/generator" ETA_T=0,8 "Turbine/generator efficiency" "Heat exchanger" ETA_HE=1 "Heat exchanger efficiency" T_3=T_in_HE*ETA_HE pdf_HE=0,98 "Pressure drop factor: it means that pressure of 2% of total pressure is lost in the liquid due to the characteristics of HE" "Condenser" pdf_C=0,98 "Pressure drop factor: Pressure drop factor: it means that pressure of 2% of total pressure is lost in the liquid due to the characteristics of condenser" W_C_c=41,5*220 "[W]" "Power consumed for condenser" "____ANALYSIS FOR TOLUENE:1_____" TC_1=t_crit(Toluene) "[K]" PC_1=p_crit(Toluene) "[kPa]" "4-1 Condensation" "1-2 Compression" "2-3 Heating" "3-4 Expansion" "Point 4" P_4=P_1/pdf_HE "[kPA]" "in condenser" T_4=155+273,15 "[K]" "depends on condenser design temperature" "Turboden catalogue" h_4=enthalpy(Toluene;T=T_4;P=P_4) x_4=Quality(Toluene;T=T_4;h=h_4) "Point 1"
pg. 56
T_1= 310 [K] "T_out condenser" P_1=P_sat(Toluene;T=T_1) "[kPa]" "Pressure of saturation to T_standar" x_1=0 "Saturated liquid" h_1=Enthalpy(Toluene;T=T_1;x=x_1) "Enthalpy out condenser" v_1=Volume(Toluene;T=T_1;x=x_1) "Specific volume out condenser" "Point 2" DELTA_p=H_P*9,8/(v_1*1000)*N_P P_2=P_1+DELTA_p "[kPa]" "Depends on Head from selected pump" T_2=T_1 h_2=Enthalpy(Toluene;T=T_2;P=P_2) v_2=Volume(Toluene;T=T_2;P=P_2) "Specific volume out condenser" "Point 3" P_3=P_2*pdf_HE h_3=enthalpy(Toluene;T=T_3;P=P_3) "POWER" W_p=(h_2-h_1)*m_dot/ETA_P "Power consumed for pump" W_t=(h_3-h_4)*ETA_T*m_dot "Power generated by the turbine" W_consumed=(W_l+W_C_c)/1000 [kW] "Power consumed by the condenser" W_net=W_t-W_p-W_consumed "Net power of solution, power used in the estimation of total energy" Q_dot_in_teoric=930 [kW] " Real available heat" Q_dot_in=(h_3-h_2)*m_dot "Available heat:equivalent to 70% (HE_efficiency) of real available heat " Q_dot_out=(h_4-h_1)*m_dot "Heat from condenser" ETA_solution=W_net/Q_dot_in*100 "Rankine cycle efficiency" "Available energy (year)" CF=0,38 "capacity factor ORC" HY=365*24*CF "equivalent hours/year" Energy=W_net*HY "kWh/year" "LCOE" "G=Generator" "Inv=Inverter AC DC" "Acc=Accessories" "ExS=Extraction system" price_EUR=3807 "COP" price_USD=3447 "COP" I_P_e=6200 "EUR" I_P=I_P_e*price_EUR "COP" I_HE=100*10^6 "COP" I_C=54,502*10^6 "COP" I_T=205*10^6 "COP" I_G=500000 "COP" I_inv=400000 "COP" I_pipe_d=3,18 "USD/ft" I_pipe=I_pipe_d*L*3,28*price_USD "COP" I_acc=2120000 "COP" I_ExS=10*10^6 "COP" I_total=I_P+I_HE+I_C+I_T+I_G+I_pipe+I_acc +I_ExS"COP" "Working fluids price" I_cyc=price_EUR*37,55*L*Area_pipe*1000 "COP" "lifetime"
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nn_P=10 "years" nn_HE=10 "years" nn_C=10 "years" nn_T=10 "years" nn_G=10 "years" nn_pipe=10 "years" nn_cyc=0,5 "years" nn_acc=1 "years" nn_inv=10 "years" nn_ExS=20 "years" "discount rate" r=0,1 "annuity factor" a_P=(1-((1+r)^(-nn_P)))/r a_HE=(1-((1+r)^(-nn_HE)))/r a_C=(1-((1+r)^(-nn_C)))/r a_T=(1-((1+r)^(-nn_T)))/r a_G=(1-((1+r)^(-nn_G)))/r a_pipe=(1-((1+r)^(-nn_pipe)))/r a_cyc=(1-((1+r)^(-nn_cyc)))/r a_acc=(1-((1+r)^(-nn_acc)))/r a_ins=(1-((1+r)^(-10)))/r a_inv=(1-((1+r)^(-nn_inv)))/r a_ExS=(1-((1+r)^(-nn_ExS)))/r "Annual equivalent investment" ii_P=I_P/a_P ii_HE=I_HE/a_HE ii_C=I_C/a_C ii_T=I_T/a_T ii_G=I_G/a_G ii_pipe=I_pipe/a_pipe ii_cyc=I_cyc/a_cyc ii_acc=I_acc/a_acc ii_ins=ins/a_ins ii_inv=I_inv/a_inv ii_ExS=I_ExS/a_ExS ii_total=ii_P+ii_HE+ii_C+ii_T+ii_G+ii_pipe+ii_cyc+ii_acc+ii_ins+ii_inv+ii_ExS"Annual equivalent costs" "O&M" per=0,17 "percentage of total investment: operation and maintenance" OM=I_total*per "annual costs of maintenance and operation" per2=0,1 "percentage of total investment: installation" Ins=I_total*per2 "price of investment for installation" "LCOE" LCOE=(ii_total+OM)/Energy "COP/kWh" Ahorro=(366-LCOE)*58000 CICLOHEXANO "P=pump" "HE=heat exchanger" "T=turbine" "C=condenser"
pg. 58
"DATA" "Waste gases: Assume waste gases like real air" P_G=101,3 [kPa] "Pression of gases" T_G_C=310 [°C] "T_in_gases heat exchanger" T_G=(T_G_C+273,105) "[K]" T_s=T_G-40 "[K]" "T_out_gases heat exchanger" h_AIR1=Enthalpy(Air_ha;T=T_G;P=P_G) "H_in_gases heat exchanger" h_AIRs=Enthalpy(Air_ha;T=T_s;P=P_G) "T_out_gases heat exchanger" rho_AIR=Density(Air;T=T_G;P=P_G) "Density of the gases" DELTA_h_AIR=-h_AIRs+h_AIR1 "DELTA_enthalpy between in-out HE" Q_dot_in/(ETA_HE*DELTA_h_AIR)=m_dot_GAS Q_AIR=m_dot_GAS/rho_AIR "[m^3/s] Calculated flow rate for gases in m^3/h" Q_AIR_h=Q_AIR*3600 "[m^3/h] Calculated flow rate for gases in m^3/h" "Working Fluid" T_in_HE_C=280 [C] "Temperature of fluid: HE out" T_in_HE=(T_in_HE_C+273,15) "[K]" "Temperature of fluid: HE out" Q=3,701 [m^3/h] "Caudal in ORC, assuming that fluid is incompressible this value don't change" Q=m_dot*v_1*3600 "m_dot [kg/s]" "Estimation of mass flow rate of working fluid" "Pipe flow" D_pipe=1,25*convert(inch;m) "Diameter of steel pipe, taken from a catalogue of this kind of pipes" Area_pipe=pi*(D_pipe^2)/4 "Transversal Area of selected pipe" V=Q/(3600*Area_pipe) "Velocity of fluid inside pipe" mu=Viscosity(Cyclohexane;T=T_1;x=x_1) viscosity=mu*v_1 Re=V*D_pipe/viscosity "Reynolds number of fluid" L=21,9 [m] "Length of pipe" e=L/D_pipe "Length-diameter relation" f=64/Re "Friction factor, it is known that this application have a laminar behavior" "Accesories" N_M=4 "Number of manometers" N_Ter=4 "Number of thermometers" N_elb=8 "Number of elbows" N_valves=4 "Number of valves" "loss coefficients" lc_elb=1,5 "loss coefficient of elbows" lc_valves=4 "loss coefficient of valves" kT=lc_valves*N_valves+lc_elb*N_elb "loss coefficient of valves:TOTAL" "Losses" P_l=(f*e+kT)*(V^2)/(2*9,81) "[Pa]" "Pressure drop for losses" W_l=P_l*((Q/3600)*9,81/v_1) "[W]" "W_losses: due to friction and accessories" "Pump" ETA_P= 0,482"Pump efficiency" H_P=217,07 [m] "Head" N_P=1 "Number of pumps required" "Turbine/generator" ETA_T=0,8 "Turbine/generator efficiency"
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"Heat exchanger" ETA_HE=0,9 T_3=T_in_HE pdf_HE=0,96 "Pressure drop factor: it means that pressure of 2% of total pressure is lost in the liquid due to the characteristics of HE" "Condenser" pdf_C=0,98 "Pressure drop factor: Pressure drop factor: it means that pressure of 2% of total pressure is lost in the liquid due to the characteristics of condenser" W_C_c=41,5*220 "[W]" "Power consumed for condenser" "____ANALYSIS FOR CYCLOHEXANE:1_____" TC_1=t_crit(Cyclohexane) "[K]" PC_1=p_crit(Cyclohexane) "[kPa]" "4-1 Condensation" "1-2 Compression" "2-3 Heating" "3-4 Expansion" "Point 4" P_4=P_1/pdf_HE "[kPA]" "in condenser" T_4=155+273,15 "[K]" "depends on condenser design temperature" "Turboden catalogue" h_4=enthalpy(Cyclohexane;T=T_4;P=P_4) x_4=Quality(Cyclohexane;T=T_4;h=h_4) "Point 1" T_1= 310 [K] "T_out condenser" P_1=P_sat(Cyclohexane;T=T_1) "[kPa]" "Pressure of saturation to T_standar" x_1=0 "Saturated liquid" h_1=Enthalpy(Cyclohexane;T=T_1;x=x_1) "Enthalpy out condenser" v_1=Volume(Cyclohexane;T=T_1;x=x_1) "Specific volume out condenser" "Point 2" DELTA_p=H_P*9,81/(v_1*1000)*N_P P_2=P_1+DELTA_p "[kPa]" "Depends on Head from selected pump" T_2=T_1 h_2=Enthalpy(Cyclohexane;T=T_2;P=P_2) v_2=Volume(Cyclohexane;T=T_2;P=P_2) "Specific volume out condenser" "Point 3" P_3=P_2*pdf_HE h_3=enthalpy(Cyclohexane;T=T_3;P=P_3) "POWER" W_p=(h_2-h_1)*m_dot/ETA_P "Power consumed for pump" W_t=(h_3-h_4)*ETA_T*m_dot "Power generated by the turbine" W_consumed=(W_l+W_C_c)/1000 [kW] "Power consumed by the condenser" W_net=W_t-W_p-W_consumed "Net power of solution, power used in the estimation of total energy" Q_dot_in_teoric=930 [kW] " Real available heat" Q_dot_in=(h_3-h_2)*m_dot "Available heat:equivalent to 70% (HE_efficiency) of real available heat " Q_dot_out=(h_4-h_1)*m_dot "Heat from condenser" ETA_solution=W_net/Q_dot_in*100 "Rankine cycle efficiency" "Available energy (year)"
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CF=0,38 "capacity factor ORC" HY=365*24*CF "equivalent hours/year" Energy=W_net*HY "kWh/year" "LCOE" "G=Generator" "Inv=Inverter AC DC" "Acc=Accessories" "ExS=Extraction system" price_EUR=3807 "COP" price_USD=3447 "COP" I_P_e=6200 "EUR" I_P=I_P_e*price_EUR "COP" I_HE=100*10^6 "COP" I_C=54,502*10^6 "COP" I_T=205*10^6 "COP" I_G=500000 "COP" I_inv=400000 "COP" I_pipe_d=3,18 "USD/ft" I_pipe=I_pipe_d*L*3,28*price_USD "COP" I_acc=2120000 "COP" I_ExS=10*10^6 "COP" I_total=I_P+I_HE+I_C+I_T+I_G+I_pipe+I_acc +I_ExS"COP" "Working fluids price" I_cyc=price_EUR*51,5*L*Area_pipe*1000 "COP" "lifetime" nn_P=10 "years" nn_HE=10 "years" nn_C=10 "years" nn_T=10 "years" nn_G=10 "years" nn_pipe=10 "years" nn_cyc=0,5 "years" nn_acc=1 "years" nn_inv=10 "years" nn_ExS=20 "years" "discount rate" r=0,1 "annuity factor" a_P=(1-((1+r)^(-nn_P)))/r a_HE=(1-((1+r)^(-nn_HE)))/r a_C=(1-((1+r)^(-nn_C)))/r a_T=(1-((1+r)^(-nn_T)))/r a_G=(1-((1+r)^(-nn_G)))/r a_pipe=(1-((1+r)^(-nn_pipe)))/r a_cyc=(1-((1+r)^(-nn_cyc)))/r a_acc=(1-((1+r)^(-nn_acc)))/r a_ins=(1-((1+r)^(-10)))/r a_inv=(1-((1+r)^(-nn_inv)))/r a_ExS=(1-((1+r)^(-nn_ExS)))/r "Annual equivalent investment" ii_P=I_P/a_P ii_HE=I_HE/a_HE
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ii_C=I_C/a_C ii_T=I_T/a_T ii_G=I_G/a_G ii_pipe=I_pipe/a_pipe ii_cyc=I_cyc/a_cyc ii_acc=I_acc/a_acc ii_ins=ins/a_ins ii_inv=I_inv/a_inv ii_ExS=I_ExS/a_ExS ii_total=ii_P+ii_HE+ii_C+ii_T+ii_G+ii_pipe+ii_cyc+ii_acc+ii_ins+ii_inv+ii_ExS"Annual equivalent costs" "O&M" per=0,17 "percentage of total investment: operation and maintenance" OM=I_total*per "annual costs of maintenance and operation" per2=0,1 "percentage of total investment: installation" Ins=I_total*per2 "price of investment for installation" "LCOE" LCOE=(ii_total+OM)/Energy "COP/kWh" Ahorro=(366-LCOE)*58000
ANEXO 4. Enlaces importantes
Link 1 https://www.columbiapipe.com/continuous-weld-black-carbon-steel-pipe/7 Link 2
https://www.carlroth.com/en/en/Chemicals/A-Z- Chemicals/T/Toluene/Toluene/p/0000000 100004e5b00020023_en
Link 3 https://www.carlroth.com/en/en/Chemicals/A-Z-Chemicals/C/Cyclohexane/Cyclohexane/p/ 00000001000139f700040023_en
Link 4.
https://www.carlroth.com/en/en/Chemicals/A-Z-Chemicals/C/Cyclohexane/N-octane/p/000 00001000139f700040023_en
Link 5
https://www.buyfittingsonline.com/pipe-fittings-stainless-steel-1-1-4-in-90-degree-elbow-304-ss-threaded-npt-1-g/
Link 6
https://www.termometros.com/Manometro-con-separador-de-membrana-soldada-0-a-60-Bar
Link 7
https://www.ebay.com/c/1310752438?iid=293060487851
Link 8
https://www.ebay.com/itm/Apollo-70-146-01-1-1-4-InLine-Ball-Valve- NEw/163792753396? hash=item2622cf12f4:g:cfcAAOSw0vVdO2nL
