Sistemas de Cogeneración con Motores Alternativos y Turbinas de Vapor: Optimización y Recuperación de Calor

Red Externa de Tuberías: Soluciones y Consideraciones

La instalación de redes externas de tuberías en entornos industriales requiere una cuidadosa planificación. La solución óptima suele ser la implementación de galerías subterráneas, aprovechando las zanjas generales de la instalación. Es crucial considerar el riesgo de heladas, que pueden provocar la congelación de los condensados y, en consecuencia, afectar las operaciones. Tanto los colectores de condensado como las válvulas deben ubicarse en arquetas que permitan una fácil inspección.

Las tuberías exteriores, por lo general, deben ser soldadas. Sin embargo, para conexiones de hasta 50 mm, se pueden considerar conexiones roscadas en lugar de soldadas. También es viable utilizar tuberías con acoplamientos rápidos y juntas autoblocantes entre las mitades acopladas.

Sistemas de Cogeneración: Eficiencia y Tipos

Los sistemas de cogeneración representan una alternativa eficiente para la generación combinada de calor y electricidad. A continuación, se describen los principales tipos:

Plantas con Motores Alternativos

Estos sistemas utilizan gas, gasóleo o fuel-oil como combustible. Se caracterizan por una alta eficiencia eléctrica, aunque su eficiencia térmica es menor. El diseño de un sistema de recuperación térmica se adapta a los requerimientos específicos de la industria. Generalmente, se basan en:

• Producción de vapor a baja presión (hasta 10 bares).
• Generación de aceite térmico.
• Aprovechamiento del circuito de alta temperatura del agua de refrigeración del motor.

También es viable la producción de frío por absorción, ya sea a través del vapor generado con los gases en máquinas de doble efecto, o utilizando directamente el calor del agua de refrigeración en máquinas de simple efecto.

En aplicaciones de cogeneración calor-electricidad, se emplean los siguientes tipos de motores alternativos:

• Motores Diésel: Funcionan con gasóleos ligeros o pesados, con ignición por compresión. Se subdividen en:
  • Motores Diésel rápidos: Velocidades de rotación entre 1000 y 3000 r.p.m., diámetros de pistones entre 200 y 250 mm, potencia de cilindro entre 100 y 200 kW, y rendimientos termodinámicos del 36 al 38%.
  • Motores Diésel semirrápidos: Velocidades de rotación entre 400 y 1000 r.p.m., diámetros de pistón alrededor de 500 mm, potencias por cilindro de 600 a 1000 kW, y rendimientos termodinámicos del 40%.
  • Motores Diésel lentos: Velocidades de giro entre 100 y 400 r.p.m., pistones con diámetro cercano a 1000 mm, potencias por cilindro de 2500 a 3000 kW, y rendimientos termodinámicos del 42%. Utilizan ciclos de dos tiempos.
• Motores de gas: Operan según el ciclo Otto, utilizando gas como combustible. La ignición no es por compresión; se emplean sistemas como:
  • Compresión de la mezcla aire-gas e ignición por chispa.
  • Compresión de la mezcla aire-gas e inyección de una pequeña cantidad de gasóleo, cuya combustión inicia la combustión principal aire-gas.

Actualmente, es común encontrar en el mercado equipos modulares de cogeneración (EMC). Estos son conjuntos compactos, preensamblados y probados en fábrica, que integran el motor alternativo con su generador eléctrico y el sistema para el suministro de calor (en forma de agua caliente o vapor a muy baja presión).

Recuperación de Calor con Motores Alternativos

La recuperación de calor en motores alternativos se puede realizar de tres formas principales:

• Gases de escape: Los gases de salida del motor tienen temperaturas cercanas a los 400°C. Se puede recuperar aproximadamente 0,45 kWh por cada kWh eléctrico generado.
• Agua de refrigeración del motor: En motores refrigerados por agua, se puede recuperar gran parte del calor de refrigeración, obteniendo entre 0,5 y 0,8 kWh térmicos por cada kWh eléctrico generado.
• Aceite de lubricación del motor: Una porción del calor recuperado también puede provenir del aceite de lubricación.

En conjunto, la producción de calor de un motor alternativo de combustión interna se encuentra en el rango de 1 a 1,6 kWh por cada kWh eléctrico. Se obtiene así recuperación con agua caliente a temperaturas de 80-90°C, aunque también es posible obtener agua sobrecalentada hasta temperaturas de 110° a 115°C.

Plantas con Turbinas de Vapor

En estos sistemas, la energía mecánica se genera mediante la expansión del vapor de alta presión proveniente de una caldera convencional. El uso de turbinas de vapor fue pionero en la cogeneración. Hoy en día, se utiliza principalmente como complemento en ciclos combinados o en instalaciones que emplean combustibles residuales, como biomasa o residuos incinerados.

La aplicación conjunta de una turbina de gas y una turbina de vapor se conoce como "Ciclo Combinado". Los rendimientos de estas máquinas son los más bajos dentro de la gama de máquinas térmicas cíclicas. Las turbinas de vapor se clasifican según:

• Número y tipo de escalonamiento.
• Dirección del flujo en el rodete.
• Presión del vapor a la salida de la máquina.