Pensamiento
"El consumo eficaz y racionalizado de la energía no solo ayuda a la economía de un país, sino que también es respeto al medio ambiente y a la tierra que nos da la vida"
Fidel Castro.
Resumen
En el presente trabajo se exponen brevemente resultados obtenidos del análisis exergético realizado a sustancias de interés industrial.
El bagazo de caña, sustancia utilizada como combustible en los centrales azucareros durante la realización de la zafra, posee características que lo convierten en un combustible de elevado poder energético si se aprovecha eficientemente.
En la UEB Central Azucarero Fernando De Dios se utiliza el bagazo como fuente energética para el proceso de cogeneración de la fábrica de azúcar, los cálculos fueron realizados teniendo en cuenta las características de la sustancia obtenida en la zafra. Las pérdidas y destrucciones de exergía que tienen lugar en los equipos reales constituyen la única manera de cuantificar según una base termodinámica las ineficiencias de los distintos equipos que componen una instalación. Los primeros criterios de ahorro de exergía provienen directamente de estos hechos, de aquí la importancia de esta determinación para conocer si los combustibles son aprovechados eficientemente y determinar eficiencia del proceso de combustión de los mismos.
Introducción
La energía se ha convertido en elemento inseparable de toda técnica desarrollada por el hombre. Por ello es natural que entre todas las vías existentes para su estudio, proyección, explotación, perfeccionamiento y modernización, el lugar más importante lo ocupe la energética. Para la utilización efectiva de esta vía es imprescindible contar con un modelo teórico capaz de analizar el objeto técnico real o proyectado, en cada uno de los elementos componentes, en sus relaciones internas y externas, en forma sistemática. El análisis termodinámico a través del método exergético constituye hoy día el único modelo capaz de ejercer esta función y ha contado con especial efectividad en aquellos sistemas técnicos que se ocupan de producir transformaciones energéticas (producción de frío, calor, fuerza, electricidad, etc.) y de las sustancias (producciones químicas, metalúrgicas, alimenticias, etc.). (1)
La exergía, que es la parte de la energía que puede convertirse en trabajo mecánico, fue descubierta en la termodinámica casi desde sus orígenes formales, con el nombre de “trabajo disponible''. Hoy en día cobra una enorme importancia, por un lado, porque la exergía, siendo la medida cuantitativa de la máxima cantidad de trabajo que puede obtenerse de un desequilibrio entre un sistema físico y el ambiente que lo rodea, o entorno, determina cuantitativamente el valor termodinámico de cualquier recurso; y, por otro lado, la exergía permite analizar rigurosamente el desperdicio de los recursos en las actividades de una sociedad, estableciendo pautas cuantitativas para su ahorro y uso eficiente. No es extraño que el concepto haya resurgido plenamente en los países industrializados altamente consumidores de recursos, a raíz del embargo petrolero que en su contra ejercieron los miembros de la Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) a principios de la década de los setentas. (2)
El concepto de exergía
El concepto de exergía está indisolublemente asociado al de desequilibrio entre un cierto sistema y su entorno, determinado por la diferencia entre los valores de alguna variable dinámica que los caracteriza (por ejemplo la temperatura o la
presión).
Exergía: Es una propiedad del sistema termodinámico o flujo de energía que caracteriza la cantidad de trabajo que puede ser recibido por receptores externos de energía mediante la interacción reversible con el medio ambiente hasta el establecimiento del completo equilibrio.
Medio ambiente: Se caracteriza fundamentalmente porque sus parámetros no dependen de los parámetros del sistema y todos sus componentes deben encontrarse en relativo equilibrio termodinámico. Ejemplos de medio ambiente son: la atmósfera, la litosfera, el agua de mar, espacio cósmico. Generalmente al medio lo caracterizan tres parámetros: temperatura, presión y composición química. Se caracteriza por tener un valor nulo de exergía. (6)
La exergía es la máxima cantidad de trabajo que se puede obtener de un desequilibrio entre un sistema y su entorno.
La exergía química es la capacidad de trabajo almacenada entre un sistema y el entorno en virtud de una diferencia en composición química, como la que hay entre una masa de petróleo o carbón y la atmósfera. De que el carbón y el petróleo cuentan con exergía se puede uno dar cuenta porque al quemarlos en una termoeléctrica se generan trabajo y electricidad. (3)
Eficiencia exergética y energética
La importancia de la exergía para valorar el desperdicio de recursos exergéticos y, por tanto, la capacidad de ahorro, proviene de los siguientes hechos: a) toda sociedad requiere de la realización de tareas mecánicas y termodinámicas para su sobrevivencia (subir pesos, calentar espacios, girar cuerpos, etc.); b) cumplir una tarea termodinámica implica la creación de Exergía, es decir, la formación de un contraste entre un sistema y su entorno (por ejemplo cuando se sube agua de un nivel a otro, como en el bombeo de agua en la agricultura, en la industria o en los hogares, o cuando se eleva la temperatura de un cuarto sobre la del ambiente, en la calefacción de interiores); c) la creación de exergía se realiza destruyendo la exergía existente en otras partes, como cuando la elevación de agua se lleva a efecto mediante un motor eléctrico, que funciona por la quema de la exergía química del
combustible en la termoeléctrica; d) de las posibles maneras de cumplir una tarea mecánica o termodinámica, habrá una que implique el gasto mínimo de exergía; este gasto mínimo de exergía corresponde precisamente a la cantidad de exergía que se crea por la realización de la tarea (por ejemplo, la exergía mínima requerida para elevar una masa de agua a cierta altura es exactamente la exergía que se destruye por un dispositivo sin fricción que opera mediante la bajada de la misma cantidad de agua de tal altura; e) la diferencia entre la exergía mínima requerida y la consumida da una medida cuantitativa del desperdicio del recurso del cual se obtuvo ésta última y, al mismo tiempo, permite calcular con precisión el potencial de su ahorro. Una manera alterna de medir la utilización adecuada de los recursos exergéticos es mediante la llamada eficiencia exergética, la que se define como el cociente de la exergía mínima y la exergía consumida en la tarea; el valor máximo de la eficiencia exergética es de uno. La eficiencia exergética, o eficiencia de tarea, es distinta de la eficiencia tradicional de los dispositivos mecánicos o termodinámicos, también llamada eficiencia energética. (4)
Desarrollo
Los aspectos económicos de las transformaciones energéticas se evalúan combinando herramientas termodinámicas y económicas, ciencia denominada Termo economía que permite juzgar el grado de perfección de las mismas a la luz de los costos totales implicados, dentro de los cuales debe considerarse no sólo los consumos de energía de diferentes calidades sino el valor que en recursos energéticos primarios representan los demás costos en que hay que incurrir para efectuar dichas transformaciones.
Esta parte de la termodinámica es especialmente importante en los sistemas de generación de energía eléctrica pues la mayor parte de la energía generada a nivel mundial se produce con combustible fósiles y sus desechos contribuyen en gran medida con la contaminación ambiental. Los análisis termodinámicos tienen la finalidad de evaluar la eficiencia de sistemas energéticos. (11)
El problema energético al que se enfrenta la civilización en el incipiente siglo XXI es inmenso; no sólo debe afrontar las necesidades crecientes de una población en rápido aumento, cuya mayoría vive aún a niveles precarios de subsistencia, sino que debe lograr un incremento considerable de la producción de energía sin provocar daños severos al medio ambiente a escala global.
El uso de las fuentes renovables de energía debe incrementar su papel en el balance energético mundial y dentro de las fuentes renovables el bagazo, con buenas características como combustible y con un efecto global positivo sobre el medio ambiente con respecto al uso de los combustibles fósiles.(8)
La industria del azúcar de caña es una industria privilegiada porque la materia prima (caña de azúcar) lo aporta casi todo: parte del agua, sacarosa y combustible. El calor específico de combustión es la propiedad más importante de los combustibles y para el caso del bagazo depende principalmente de la humedad del bagazo, contenido de azúcar, el contenido de cenizas y de la variedad de la caña.
El bagazo, fibra residual de la caña de azúcar después de la molida, es un combustible natural para producir vapor en las fábricas azucareras. Es de tamaño
uniforme con longitud promedio de 5-7,5 cm. y no excede los dos centímetros de ancho; el rango de densidad varía entre 120-160 Kg/m3 Este consiste de fibra, agua, sólidos solubles y cenizas; pero es importante conocer su composición química, que afecta su uso como combustible, y el método por el cual puede ser manipulado y quemado técnica y económicamente, se le emplea como materia prima para la fabricación de papel, alimento de ganado, abono, etc. (9)
El calor específico de combustión del bagazo
El calor específico de combustión es la propiedad más importante de los combustibles y para el caso del bagazo depende principalmente de la humedad, el contenido de azúcar, el contenido de ceniza y en cuarto grado de la variedad de caña. Rubio [1994] y Sarría [1999] se refieren a las ecuaciones para determinar el calor específico de combustión superior e inferior de Hugot.
CECS = 19 255 – 31, 39 • S – 192, 55 • W, kJ/Kg.
CECI = 17 790 – 31,39 • S – 203 • W, kJ/Kg.
Además, Hugot propone una fórmula simplificada para calcular el calor específico inferior del bagazo que es muy utilizada en la actualidad.
CECI = 17 799,3 – 20 305,98 • W, kJ/kg
Fórmula de Van der Horst
CECS = 19 050 – 42 • S – 190 • W, kJ/kg
CECI = 17 800 – 42 • S – 201 • W, kJ/kg
Fórmula de Hessey
CECS = 19 410 – 51,6 • S – 194 • W, kJ/kg
CECI = 18 111 – 51,5 • S – 205 • W, kJ/kg
Según Southern African Sugar Technologists Laboratory Manual [2000], puede determinarse:
CECS = 19 605 – 196,05 • W – 196,05 • A – 31,14 • Brix, kJ/kg CECI = 18 309 – 207,6 W – 196,05 • A-31,14 • Brix, kJ/kg
Fórmula de Australia
CECS = 19 574 – 38,177 • S – 195,74 • (W+A), kJ/kg A = A"(1 – 0,01 • W)
Donde:
A": % de ceniza en fibra seca.
CECS, CECI: Calor específico de combustión superior e inferior del bagazo, respectivamente.
S: Contenido de azúcar (%) en bagazo.
W: Humedad (%) en bagazo.
Brix: Contenido de sólidos solubles % en bagazo.
Para cálculos del MINAZ se puede utilizar CECI = 7660 kJ/kg [Sarría, 1999].
Al incrementar 1% la humedad del bagazo puede representar una disminución del calor de combustión del orden de 2%.
El contenido de fibra en la caña ejerce una marcada influencia en el balance entre la energía disponible y las necesidades del proceso. Un bajo contenido de fibra en la caña procesada no solo significa menos combustible disponible, sino también a causa del aumento de proporción del jugo, una mayor tarea de evaporación y por tanto una mayor demanda de vapor. Entre los efectos principales en el calor específico de combustión inferior del bagazo el de mayor influencia es el contenido de fibra en caña, que influye de forma directa, a medida que aumenta el contenido de fibra en caña aumenta el contenido de fibra en bagazo y por lo tanto aumenta la cantidad de material combustible; con incrementos en la cantidad de agua de imbibición utilizada disminuye el calor específico de combustión inferior del bagazo provocado por el incremento del contenido de humedad del bagazo, a pesar de que la composición en base seca del bagazo sea la misma, pues parte del calor que se libera en el proceso de combustión se utiliza para evaporar esa agua disuelta en el bagazo, y por último con el aumento del contenido de materias extrañas entradas a fábrica y en dependencia de la composición de esas materias extrañas, hay un incremento de la fibra presente en el bagazo y por lo tanto un incremento del calor específico de combustión inferior.(10)
La reacción de combustión desprende calor (exotérmica), esta cantidad de calor se llama potencia calorífica por los ingenieros, sinónimos son calor de combustión, entalpía de combustión o de reacción. Un combustible sin hidrógeno (H) no tiene potencia calorífica superior – inferior, porque todos los demás productos
permanecen en estado gaseoso. Mientras mayor sea el contenido de hidrógeno del combustible mayor será la pérdida. (5)
El calor de combustión del bagazo es bajo en comparación con los combustibles fósiles líquidos, teniendo en cuenta la humedad con que el mismo se utiliza, pero en base seca sus valores se aproximan al de algunas turbas:
Qbag 50%w =1800- 1900 kcal/kg Qbag 0%w =4600kcal/kg
Con fines de ingeniería práctica se han desarrollado ecuaciones empíricas, que permiten calcular el calor de combustión para el bagazo húmedo, siendo una de las más generalizadas la siguiente: Qbag = 4600 -7.5* S -46 w Kcal/kg
Dónde: Qbag-calor de combustión superior del bagazo húmedo Kcal/kg S- Contenido de azúcar del bagazo o pol del bagazo %
humedad del bagazo %
COMPORTAMIENTO DEL PODER CALÓRICO DEL BAGAZO Y EL CONSUMO DE BAGAZO DE UNA CALDERA EN FUNCIÓN DE LA HUMEDAD.
El porciento de consumo de bagazo está referido al consumo de la caldera en las condiciones de diseño (50% de humedad). En la tabla anterior se aprecia el
incremento del consumo de combustible con el incremento de la humedad del bagazo; cabe señalar que la humedad afecta a todos los combustibles.
La composición química del bagazo es variable pero podemos considerar los siguientes valores aproximados:
Carbono———–C= (43/49) %
Hidrógeno———H= (5/7.5) %
Oxígeno———–O= (43/49) %
Ceniza————-A=(0.9/2.5)% Cosechada manualmente.
A= (2.2/5) % Cosechada mecánicamente.
Una de las ventajas que posee el bagazo como combustible en comparación con otros combustibles fósiles es la casi ausencia de azufre por lo que en los cálculos no se considera.
El combustible utilizado en nuestro caso es el bagazo con la siguiente composición en base seca:
C = 45 % H = 6.5 % O = 44 % A = 2.5 %
Que corresponde a una composición en base bruta tomando 50 % de humedad que es el valor medio de humedad del bagazo en nuestras fábricas de:
CB = 23.5 % AB = 1.25 % HB = 3.25 % NB = 50 % OB = 22 %
Determinación de la exergía
Se determinó la exergía del bagazo considerando las condiciones del medio circundante en todos los casos a una presión de 100 kPa, una temperatura de 300 ºK y un gasto de 500 kg.
Se realizó la determinación de la capacidad calórica superior del bagazo por varias ecuaciones que permiten calcular el calor de combustión para el bagazo húmedo, además se asumen los criterios de que la Exergía depende de los parámetros de la sustancia o el flujo no de los parámetros del medio, la transformación de un tipo en otro no está limitado por el segundo principio de la termodinámica, se rige por la ley de conservación de los procesos reversibles; en procesos reales irreversibles puede desaparecer completamente o una parte de ella; el cálculo se realiza teniendo en cuenta la temperatura y presión dada t=300 ºK y p=100 kPa como temperatura
ambiente 27 ºC y presión atmosférica.
Utilizando la ecuación empírica más generalizada con fines de ingeniería práctica:
Qbag = 4600 -7.5 * S – 46 w Kcal/kg
Donde: Qbag-calor de combustión superior del bagazo húmedo Kcal/kg S- Contenido de azúcar del bagazo o pol del bagazo %
humedad del bagazo % w =50.00% S = 2.00%
Se consideran resultados satisfactorios los valores obtenidos en 1- 2- 3 ya que solo difieren en 51.3; 64.72; y 34 unidades respectivamente con la Exergía útil del bagazo dada en clases que era de 9500 kJ/kg, cuyo valor al análisis de diversos procesos coincide con su valor calórico superior.
Para un gasto de 500kg/s se tiene que:
Bbag1= 9551.3 kJ/kg*500 kg/s Bbag= 4775650 kJ/s porque: kJ/s= kW Bbag1= 4.8 MW
Bbag2= 9564.72 kJ/kg*500 kg/s Bbag= 4782360 kJ/s Bbag2= 4.8 MW
Bbag3= 9466 kJ/kg*500 kg/s Bbag= 4733000 kJ/s Bbag3= 4.7 MW
Comparando los resultados obtenidos con la generación de vapor existente en nuestra fábrica que cuenta con 2 calderas de tipo RETO de fabricación Cubano- Alemana, capacidad de generación de 90 t/h de vapor (Cada una a razón de 45 t/h) una presión de salida del vapor = 250 lbs/pulg2 y temperatura del vapor = 320 ºC. En la Planta eléctrica se tiene un Turbogenerador soviético con una capacidad de generación de 4 MW, 3600 rpm y 5360 Hp de potencia con un consumo especifico de 44 t/h que opera con vapor directo procedente del bloque de generación a 18.5 kg
/cm2 (abs) y 320 °C, el vapor de escape de las turbinas de contra presión sale a 2.6 kg /cm2 y 186 °C.
Se puede decir que con la determinación de esta magnitud se demuestra la parte de capacidad de trabajo perdida en el sistema respecto a la capacidad de trabajo que entra al sistema. Dichas pérdidas que pueden ser tanto internas (ocurren en el interior de los sistemas) como externas (relacionadas con las condiciones de unión del sistema con el medio y los receptores de energía) dependen en gran medida de las características del combustible utilizado. En el proceso de combustión del
bagazo ocurren pérdidas de energía que se relacionan a continuación:
Energía perdida por humedad del combustible (depende de la humedad del combustible y la temperatura de los gases de salida)
Energía perdida por el agua formada por la combustión del hidrógeno (se forman 9 kg de agua por kg de combustible)
Energía perdida debido a los productos gaseosos secos (constituye la mayor pérdida, depende de los kg de productos secos gaseosos por kg de combustible alimentado)
Energía perdida por la combustión incompleta (se considera que es completa)
Energía perdida por el carbono no quemado (su presencia en productos sólidos implica pérdidas de energía )
Energía perdida debido a radiación, convección y conducción en las paredes del horno, al hidrógeno y los hidrocarburos que no reaccionan.
En el análisis termodinámico exergético se evidencia que mientras que la energía se conserva, la exergía al pasar por un sistema técnico puede ser destruida o degradada.
El método exergético, permite nuevas posibilidades hasta hoy muy poco usadas, en la explotación por los ingenieros encargados de reducir los costos energéticos en la industria.
Una de las principales ventajas del método exergético de análisis es que determina las pérdidas de la energía verdaderamente utilizable que interviene en el sistema.
En el método energético se considera "pérdida" aquella energía no usada en el proceso dado, sin embargo no se puede diferenciar cuando responde a insuficiencias de la transformación o a la energía.
Campos Avella, J. C., Santos Macias, L. y E. Cruz Torres. "Calidad de la Energía. Métodos avanzados de análisis de sistemas energéticos para programas de control y mejoramiento de la eficiencia de procesos industriales", Universidad de Cienfuegos, ISBN 959-257-019-1,1998, Cuba.
Martínez Negrete, M. A. "Exergía". Departamento de Física, FC-UNAM, México. (formato electrónico).
Lozano M.A. y A. Valero. "Determinación de la exergía para sustancias de interés industrial", Revista Ingeniería Química, Marzo 1986, España.
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Faires V.M. et al. Problemas de Termodinámica. UTEHA. México. 1983.
Lapido Rodríguez, M., Álvarez Guerra Plasencia, M.A., Castellanos Álvarez, J.A., Roque Díaz, P. y J.C. de Armas Valdés. "Termodinámica Avanzada", Editorial Universo Sur, UCF, 2006.
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Hugot, E. Manual para ingenieros azucareros. La Habana: Edición Revolucionaria, 1967.
Sarría López, B. «Aerodinámica de la zona de flujo inverso que se crea en una cámara de combustión que combina un estabilizador rotatorio y un turbulizador estático tangencial». Tesis en Opción al Grado Científico de Doctor en Ciencias Técnicas. UCf, 1999.
Lapido Rodríguez, M., Castellanos Álvarez, J.A. y J.C. de Armas Valdés. "Monografía Métodos de análisis termodinámico", Editorial Universo Sur, UCF, 2005.
Conclusiones
Por último, se pueden enunciar las siguientes conclusiones acerca de la determinación de la Exergía del bagazo:
Bibliografía
Autora:
Ing. Ledairis Mac Farlane Sherman
Holguín, 2015