Introducción

A principios de los años sesentas, aumentó la conciencia mundial de que el crecimiento industrial y la producción de energía a partir de combustibles fósiles se acompañan de la liberación de contaminantes potencialmente nocivos en el medio ambiente (^{Kitto & Stultz, 2005}).

Existe una fuerte relación entre la eficiencia energética y el impacto ambiental, ya que para los mismos servicios o productos, una menor utilización de los recursos y la contaminación normalmente se asocian con una mayor eficiencia energética (^{Dincer & Rosen, 1998}).

La preocupación creciente por el ahorro de energía ha fomentado un examen crítico de los métodos utilizados para evaluar e incrementar la eficiencia de los procesos industriales. Como respuesta, la atención se ha centrado recientemente en técnicas de análisis basados en el Segundo Principio de Termodinámica, en particular, en el concepto de exergía (^{Lozano, 1987}). La exergía es fundamentalmente la propiedad del sistema que ofrece el máximo potencial que puede extraerse del sistema cuando se lleva a un estado de equilibrio termodinámico desde un estado de referencia (^{Ayhan & Demirtas, 2001}; ^{Sami et al., 2011}).

En los últimos años, debido a la escasez de combustibles fósiles y su lógico encarecimiento, es evidente la importancia del desarrollo de sistemas térmicos que hagan un uso efectivo de estos recursos energéticos no renovables como petróleo, gas natural y carbón mineral. El método del análisis exergético es especialmente adecuado para conseguir un uso eficiente de los recursos energéticos, pues permite determinar la localización, tipo y magnitud real de su pérdida y despilfarro.

Un generador de vapor pirotubular o de tubos de fuego es una máquina térmica donde se obtiene vapor de agua. Este vapor se genera cuando los gases producto de la combustión pasan por dentro de los tubos, los cuales se encuentran bañados por agua, de donde surge el vapor saturado que se produce, el cual se conduce por las líneas de distribución hasta los consumidores que generalmente son: las cocinas, las tintorerías, hospitales, entre otros.

El uso eficiente de los recursos energéticos se conseguirá reduciendo tanto como sea posible la destrucción de exergía en los sistemas, es decir, disminuir las irreversibilidades de los procesos que ocurren dentro de los sistemas. Esto permitirá centrar la atención en aquellos aspectos de la operación del sistema analizado, ya que ofrecen mayores oportunidades de mejora.

La investigación tuvo como objetivo determinar si el generador de vapor es el adecuado para las condiciones reales de operación y de proceso, así como de las oportunidades para incrementar su eficiencia. Se partió de la hipótesis de que si se determinan los rendimientos energéticos y exergéticos del generador de vapor es posible conocer la magnitud de la influencia de las variables operacionales que lo afectan.

Materiales y métodos

La investigación se realizó en un generador de vapor pirotubular compacto modelo CMS-660. Este trabaja con combustible diésel regular (^{Rodríguez, 2014}) y su composición gravimétrica se obtuvo de la ficha técnica que proporciona el suministrador. Tiene una capacidad nominal para la producción de vapor de 660 kg/h, produce un vapor saturado con una presión de 0.49 MPa y tiene una superficie de intercambio térmico con el fluido a calentar de 19.6 m². Las paredes exteriores cilíndricas tienen una temperatura de trabajo de 34 ºC y el resto de las paredes 42 ºC. El agua de alimentar se precalienta mediante una extracción del vapor saturado y entra al generador a 80 ºC. El condensado del proceso no se recupera por error de diseño de la instalación. La temperatura de los gases de escape es de 200 ºC. Es preciso conocer las propiedades de todas las sustancias de trabajo que entran y salen del generador de vapor para realizar los balances de masa, energía, entropía y exergía (Figura 1).

Figura 1: Esquema básico del sistema a estudiar 

Resultados y discusión

La instalación tiene una producción real de vapor de 457.2 kg/h con un consumo de combustible de 0.008 kg/s. La demanda de vapor del proceso fue de 114.3 kg/h (Tabla 4).

Las sustancias que más incidencia tuvieron en los rendimientos energéticos y exergéticos del proceso fueron el combustible y el vapor saturado (Tabla 4). El rendimiento energético del generador calculado por el método directo fue de 0.901 y por el método indirecto fue de 0.882 (Tabla 4). El error entre los resultados por ambos métodos fue de 2.11 %, lo que fue despreciable.

La sustancia más significativa en el rendimiento exergético es el combustible con un 46 %; esto sucede como consecuencia de su alto contenido energético (Figura 1). El agua de alimentar al variar su temperatura de 80 ºC hasta 151 ºC para convertirse en vapor saturado a la presión de 0.49 MPa, incrementó su potencial exergético en un 18 %; es la segunda sustancia en importancia en el rendimiento exergético (Figura 1). Los efectos de las sustancias restantes son prácticamente despreciables, aunque hay que tenerlas en cuenta cuando el aire no es precalentado. Las irreversibilidades representan 26 % de las exergías debido en su mayoría, a las transformaciones que ocurren en los procesos de combustión y de transferencia de calor (Figura 1) (^{Kreith & Goswami, 2005}).

Figura 1: Gráfico porcentual de las exergías de cada sustancia en el proceso 

Se conoce que el rendimiento exergético para un generador de vapor de este tipo debe ser próximo a 0.27 (^{Borges et al., 2016}). Para las condiciones reales de operación del generador de vapor el rendimiento exergético es de 0.39. Como se observa, el rendimiento exergético calculado para el generador de vapor estudiado posee un valor por encima de lo publicado en la literatura (^{Borges et al., 2016}). Al comparar los valores de las mediciones de esta investigación con la revisada se puede notar que para valores de 2.012 del coeficiente de exceso de aire a la salida de los gases de escape y a la presencia de gases como el monóxido de carbono, lo que indica una combustión incompleta, se obtiene un rendimiento exergético de 0.27. Por lo que se concluye que, para las variables operacionales y las condiciones de una combustión completa, el rendimiento del generador de vapor sea mayor.

Para conocer el efecto de la presión del vapor saturado en los rendimientos energéticos, exergéticos y en las irreversibilidades, se replicaron los cálculos antes expuestos para el intervalo de 0.1 MPa hasta 1.3 MPa (Figura 2). Tanto el rendimiento energético como el exergético, incrementan con el aumento de la presión del vapor saturado. Es más significativo el incremento del rendimiento exergético, con una variación positiva de 13 % (Figura 2). Las irreversibilidades disminuyen significativamente en el intervalo de 0.1 MPa hasta 0.4 MPa; a partir de ese valor su disminución es menos pronunciada en relación con el incremento de la presión del vapor saturado y experimenta una variación total negativa de 45 kW (Figura 2).

Figura 2: Comportamiento del rendimiento energético, exergético y las irreversibilidades en función de la presión de vapor 

Para las condiciones ambientales y de operación del generador de vapor, el análisis exergético permitió identificar, clasificar y medir las pérdidas de energía (Tablas 1 y 4). El flujo de vapor ofertado por el generador es cuatro veces mayor que el demandado por el proceso. Esto sugiere una sustitución del generador de vapor por otro de menor producción de vapor.

Conclusiones

Este trabajo describe una serie de pasos lógicos que permiten calcular el rendimiento exergético de una instalación generadora de vapor. Normalmente, los estudios energéticos a instalaciones generadoras de vapor se les aplican uno de los dos métodos (el directo o el indirecto). En este caso se aplican ambos para comparar los resultados y demostrar la pertinencia del uso indistinto de ambos métodos. El rendimiento energético del generador de vapor por el método directo es de 0.901 y por el método indirecto es de 0.882, con una diferencia del 2.11 % lo que indica que se puede emplear cualquiera de los dos métodos. Para determinar el rendimiento exergético se emplearon ecuaciones que permiten trabajar con valores reales de temperatura ambiente, pues estas ayudan a corregir la diferencia de los parámetros del ambiente de referencia con el ambiente real. El rendimiento exergético del generador de vapor fue de 0.39 y la sustancia que más influyó en él es el combustible con un 46 %, luego las irreversibilidades del proceso con un 26 %. Estas se pueden reducir aprovechando el vapor condensado que se pierde por un error de diseño de la instalación. De manera general, pero con igual importancia, se demostró que el generador de vapor está sobredimensionado para las condiciones reales de operación y del proceso, por lo que se recomienda la sustitución por otro de menor producción de vapor.