Conceptos de recuperación de calor de AERZEN
La sostenibilidad y la eficiencia son indispensables en la industria. Hoy en día, figuran sin duda entre los retos más importantes a los que se enfrentan los fabricantes y operadores de sistemas. Sin embargo, por su propia naturaleza, la generación de aire de proceso requiere una cantidad relativamente alta de energía. En el proceso se libera una gran cantidad de energía térmica, conocida como calor de proceso. No sólo surge en el flujo de aire generado, sino también bajo la campana acústica debido a la pérdida de calor del motor, el silenciador y el compresor. En el pasado, a menudo se desaprovechaba.
Como fabricante de compresores de alto rendimiento, AERZEN lleva mucho tiempo desarrollando soluciones innovadoras para poner en práctica esta energía térmica. Como resultado, la empresa ofrece a los operadores de plantas la tecnología de aire comprimido más avanzada y sistemas adecuados para la recuperación de calor de una sola fuente.
El ahorro potencial que puede suponer la instalación de un sistema de recuperación de calor es inmenso: hasta el 85% de la energía térmica puede utilizarse fácilmente para otras operaciones, como el calentamiento de agua, los procesos de secado o el precalentamiento del aire de los quemadores. Se evitan pérdidas de energía, como las causadas por la salida al exterior del aire calentado. Por lo tanto, la recuperación de calor significa una conservación de la energía específica que ahorra recursos.
Los costes de inversión que necesita un sistema de recuperación de calor son relativamente bajos y se amortizan rápidamente con el ahorro de energía. Las plantas más antiguas también se pueden readaptar y optimizar sin un gran gasto de tiempo y dinero. AERZEN estará encantado de poder ayudarle a poner en práctica soluciones personalizadas. La recuperación de calor se puede llevar a cabo en una amplia gama de procesos y aplicaciones:
- Suministro para sistemas de calefacción central;
- Calentamiento de aire caliente;
- Secado de fangos;
- Aire caliente para tareas de procesamiento (por ejemplo, procesos de secado en producción);
- Producción de agua caliente para duchas y baños;
- Calentamiento de agua de servicio en cafeterías;
- Construcción de frenos térmicos;
- Calefacción en piscinas.
El objetivo de cualquier diseñador de plantas es reducir los costes utilizando la energía introducida en un proceso de la forma más eficiente posible. En el campo de la producción de aire comprimido, la recuperación de calor es una forma simple de dar respuesta a este reto. Para entender por qué un compresor en funcionamiento genera energía térmica y cómo se puede usar esa energía, resulta útil observar el principio operativo de un compresor de aire:
Principio de funcionamiento de los compresores: Fuentes de calor y opciones para recuperar el calor
La gran cantidad de calor residual que se produce al generar aire comprimido no dice nada sobre la eficiencia de la máquina. Es un subproducto que surge necesariamente al generar aire de proceso. Durante mucho tiempo, los operadores de las instalaciones no han sido conscientes del enorme potencial energético que contiene. Por regla general, el calor se genera de dos formas distintas: por un lado, a partir de la compresión del medio por el conjunto y, por otro, por el calor residual (aire de refrigeración) del motor, la etapa y el silenciador y el aire de escape del refrigerador de aceite.
Compresión
Las máquinas como los compresores de tornillo y los soplantes de desplazamiento positivo comprimen el aire circundante aspirado mediante tornillos o pistones rotativos. Esta forma de compresión del aire es un proceso termodinámico que calienta el medio aspirado, por ejemplo, aire o gas. Desde un punto de vista físico, el proceso convierte la energía eléctrica en energía térmica. Cuando se utilizan compresores, el gas de proceso puede alcanzar temperaturas de hasta 280°C.
El enfoque lógico para recuperar el calor del aire de proceso es utilizar intercambiadores de calor; cuando los intercambiadores de calor se integran en el flujo de aire, un medio como el agua puede fluir a través de ellos y calentarse a una temperatura preestablecida, eliminando simultáneamente el calor del flujo de aire. El agua calentada puede reutilizarse como agua de proceso o de servicio o alimentar el sistema de calefacción central. AERZEN ofrece intercambiadores de calor diseñados con precisión para este fin, que convierten la máxima cantidad de calor transferible con una pérdida de presión mínima.
Cooling air (heat radiation)
Additional heat energy is created under the acoustic hood of the assembly by the radiation of the motor, oil cooler, compressor stage, rotary piston stage, piping and silencer. This strongly heated cooling air can be put to practical use as well. The heat can be consolidated in the exhaust air ducts integrated in the assembly and transported as heating air to adjoining rooms or workshops. A temperature-controlled outlet can regulate the airflow, so that a uniform ambient temperature is achieved. If no heating is required in summer, for example, the excess heat can be conducted outside.
Heat recovery in wastewater treatment
El tratamiento de aguas residuales es uno de los sectores principales de Aerzener Maschinenfabrik. La empresa familiar es un actor global en este ámbito y desarrolla continuamente soluciones integrales que ahorran recursos y respetan el medio ambiente para clientes de todo el mundo. Esto incluye no sólo la selección de una tecnología de maquinaria óptima y adaptada a las necesidades del cliente, sino también conceptos para recuperar el calor. En las plantas de tratamiento de aguas residuales, los conjuntos se utilizan normalmente para airear los tanques de aireación. En el proceso, se genera un flujo de aire con una presión de aprox. 1 bar mediante soplantes de desplazamiento positivo, turbo soplantes y compresores AERZEN que trabajan conjuntamente o como conjuntos individuales. El flujo de aire se bombea a los tanques de aireación (la "biología" de la planta). El oxígeno contenido en el aire desempeña un papel decisivo en un paso importante del proceso: el tratamiento biológico de las aguas residuales.
Medida en costes totales de energía para una planta de tratamiento de aguas residuales, la generación del caudal de aire constituye el mayor porcentaje. El potencial de ahorro en este ámbito es, por tanto, muy alto. Las posibilidades son amplias: un único compresor con una potencia nominal de 22 kW puede satisfacer las necesidades de calefacción de una casa unifamiliar.
Los numerosos casos de éxito de Aerzener Maschinenfabrik demuestran que es posible mejorar considerablemente el equilibrio energético de una planta de tratamiento de aguas residuales con tan solo implantar soluciones de recuperación de calor y optar por la tecnología de máquinas óptima para cada aplicación. Aquí encontrará varios ejemplos:
Otro ejemplo de recuperación de calor de alta eficacia aplicado en cooperación con AERZEN se encuentra en la planta de tratamiento de aguas residuales de Essen-Kupferdreh. La planta utiliza cuatro soplantes de desplazamiento positivo para suministrar aire a los tanques de aireación. Gracias a la instalación de un intercambiador de calor de haz tubular, la planta aprovecha ahora de forma práctica y eficiente el calor residual de las soplantes. La energía convertida del componente suministra ahora energía térmica al sistema de calefacción y al depósito de inercia para el agua caliente. El ahorro resultante es colosal: sólo la recuperación de calor permite a la planta de Essen-Kupferdreh ahorrar más de 30.000 euros al año.
En la depuradora de aguas residuales de Wertach, en Baviera, fue posible renunciar a la instalación de un nuevo quemador para calentar el agua de la caldera, gracias al uso de un intercambiador de calor. En Wertach se utilizan dos soplantes Delta de velocidad fija para la carga de trabajo básica. Cuando las necesidades son mayores, por ejemplo, durante la temporada en la que acuden numerosos excursionistas y esquiadores, se activa un tercer soplante con velocidad variable.
El aire caliente a 68 °C generado por el proceso de compresión se enfría a menos de 30 °C mediante un intercambiador de calor de placas aire-agua. De este modo, el delta resultante de casi 40°C puede utilizarse para almacenar el agua de la caldera del sistema de calefacción. El intercambiador de calor integrado en el sistema está equipado con perfiles de flujo optimizado y apenas provoca pérdidas de presión en el flujo de aire de proceso.
Si no se necesita calefacción (por ejemplo, en verano), se desconecta fácilmente. Una válvula mecánica instalada en las tuberías permite conducir una parte o la totalidad del aire directamente a los tanques de aireación en lugar de a través del intercambiador de calor, lo que hace posible en todo momento el control en función de la demanda y la recuperación de calor. En Wertach, la recuperación de calor permitió ahorrar unos 1.850 litros de fuel al año. Encontrará más información sobre este tema en el artículo "Calefacción eficiente con calor perdido" de nuestra revista para clientes.
Para cumplir los estrictos requisitos medioambientales de la planta de tratamiento de aguas residuales de Filderstadt-Bonlanden, construida en la década de 1960 en el estado alemán de Baden-Württemberg, se equiparon cuatro compresores lobulares rotativos Delta Hybrid con un sistema de recuperación de calor como parte de un proyecto de modernización y renovación en colaboración con AERZEN.
La combinación de conjuntos proporciona aire comprimido 100% exento de aceite y absorbentes para la aireación de los tanques de aireación de una forma altamente eficiente desde el punto de vista energético. El funcionamiento sin aceite ni absorbentes no sólo supone un ahorro en servicio y mantenimiento, sino también una mayor fiabilidad del proceso de la planta. Una vez concluidas las medidas de modernización, el sistema empezó a hacer circular el aire ambiente calentado por las máquinas a través de un sistema de extracción y a utilizarlo para calentar otras salas de ingeniería.
Pero el mayor ahorro se consiguió instalando un intercambiador de calor de haz tubular en la tubería principal del sistema. En el intercambiador, el calor se extrae del flujo de aire de proceso y se utiliza para calentar agua. Como resultado, los costes de calentamiento del agua podrían eliminarse por completo. Puede obtener más información sobre la recuperación de calor en Filderstadt-Bonlanden en nuestra revista para clientes, en un artículo titulado "Cada kilovatio aprovechado al máximo".
Recuperación de calor en el transporte neumático
El transporte neumático consiste en transportar productos a granel como harina, polvo, arena o cemento con ayuda de aire. Se utiliza en muchas industrias, como la alimentaria, la de productos a granel, la química y la de materiales. Para crear el caudal de aire necesario, se suelen utilizar compresores, soplantes y compresores lobulares rotativos AERZEN. En el proceso se pueden alcanzar temperaturas del aire de salida muy elevadas.
El aire ambiente, que normalmente tiene una temperatura de unos 20°C, se aspira y puede alcanzar temperaturas de hasta 280°C debido al proceso de compresión, por ejemplo, en una aplicación con compresores de tornillo. Para evitar que los productos a granel transportados resulten dañados por las altas temperaturas, a menudo es necesario volver a enfriar el aire de proceso. El calor puede extraerse del aire comprimido con ayuda de un intercambiador de calor y utilizarse para calefacción, calentamiento de agua o calor de proceso. Dependiendo del diseño, la pérdida de presión causada por la instalación de un intercambiador de calor es del 1-3% en relación con la presión absoluta de admisión en el refrigerador posterior. El aumento resultante en la potencia de accionamiento del motor es nominal en comparación con la cantidad de energía ahorrada por el intercambiador de calor.
¿Cuándo compensa recuperar el calor?
Hay que tener en cuenta varios factores antes de decidirse a adquirir una solución de recuperación de calor.
Para empezar, hay que comprobar las condiciones estructurales. Es importante que la fuente de calor residual y el disipador de calor estén situados cerca. Si están demasiado alejados, los planes deben tener en cuenta las pérdidas de energía debidas al transporte y los costes más elevados de las tuberías. Si se requiere mucho esfuerzo para transportar o almacenar el calor, hay que contar con mayores costes de inversión. Además, debe haber una Δ T de al menos 5-10 k entre la fuente de calor residual de la planta y el sumidero de calor para que una instalación de recuperación de calor resulte rentable.
En general, podría decirse que la recuperación de calor es especialmente beneficiosa cuando se utiliza con grandes conjuntos y procesos de producción en funcionamiento constante. Pero un sistema de recuperación de calor también puede ser rentable en casos en los que el calor residual es menor pero la carga de trabajo mayor. En principio, la recuperación de calor es más rentable cuanto más tiempo permanezcan en funcionamiento los conjuntos.
Resumen
La gran cantidad de energía necesaria para generar aire comprimido puede recuperarse y utilizarse de diversas formas. Con las tecnologías y la experiencia de AERZEN, se pueden diseñar nuevos proyectos en las áreas de tratamiento de aguas residuales y transporte neumático para aprovechar la energía térmica para calentar salas, naves o agua (de proceso o de servicio) o para etapas del proceso de producción. Son posibles muchas aplicaciones diferentes.
Las instalaciones existentes también pueden modernizarse con medios sencillos que aumentan su eficacia. En este campo, AERZEN ofrece a sus clientes una amplia cartera de servicios, por ejemplo, un servicio de información telefónica las 24 horas del día, un diagnóstico de la máquina y la auditoría AERaudit, en la que los empleados del servicio desarrollan un plan para modernizar una planta.
Y con la ayuda de la Calculadora de Ventilación de Salas de AERZEN, los ingenieros y propietarios de plantas de tratamiento de aguas residuales pueden encontrar por sí mismos un intercambiador de calor de diseño adecuado para su planta.
