Termodinámica Avanzada. Disminución de los costos de producción del aire comprimido (página 3)

IRREVERSIBILIDADES COMPRESOR

I = ma.T0.(s2´-s1) =

= 0,09914 kg/s.298,15 K.(6,7333 kJ/kg K -6,7126 kJ/kg K) =

I= 0,6118 kW

W´ = ma.(h2´-h1)= 0,09914 kg/s.(537,24 -303,33)kJ/kg= 23,18 kW (ya este trabajo consumido por el compresor "contiene" la eficiencia del 80 %.)

FLUJOS EXERGÉTICOS

B21 = ma.(ex2´ -ex1)= 0,09914 kg/s (197,03 – 0,04) kJ/kg= 19.52 kW

B21 + I = BW2

19.52 kW + 0,6118 kW = 20,13 kW

BW2=20,13 kW

Entonces, BW1 =BW2/(EM = 20,13 kW / 0,90 = 22,36 kW

FLUJOS EXERGÉTICOS CASO BASE

BW1 = 22,36 kW con (EM = 90 %

BW2 = 20,13 kW, con (CM = 80 %

B21 = 19.52 kW

I = 0,6118 kW

BALANCES DE COSTOS

COSTOS EXERGÉTICOS

COSTO EXERGÉTICO MOTOR ELÉCTRICO

Se utilizará la formulación FUEL-PRODUCTO-RESIDUO

FUEL = PRODUCTO + RESIDUO

BW1 = BW2 + I

22,36 kW = 20,13 kW + 0,6118 kW

COSTO EXERGÉTICO COMPRESOR

Se utilizará la formulación FUEL-PRODUCTO-RESIDUO

FUEL = PRODUCTO + RESIDUO

BW2 = B21 + I

20,13 kW = 19.52 kW + 0,6118 kW

COSTOS ECONÓMICOS

FACTOR DE AMORTIZACIÓN

Tasa de interés (10 al 20 %)

Vida útil de la instalación, (15 años)

Numero de horas de operación al año (6800 h/año)

COSTOS COMPONENTES

COSTO DEL MOTOR ELÉCTRICO

Costo de referencia del motor eléctrico (2002) $ 4923

=Potencia de referencia, 10 kW

m = exponente (m=0.87), 0.9 0.95

COSTO DELCOMPRESOR

Costo de referencia del compresor (1991)$12000

Potencia de referencia, 100 kW

exponente (mcp= 1,00)

exponente (ncp= 0,5)

0,80 0,85

Optimización

OPTIMIZACIÓN DEL MOTOR ELÉCTRICO

Trabajo con Programas (Ver anexos)

Cuando se manejan los límites "matemáticamente" y no "ingenierilmente" conociendo las reglas de experiencia (rules of thumbs) o heurística de los equipos de procesos

Trabajo con Programas

Ver anexos

OPTIMIZACIÓN DEL COMPRESOR

Trabajo con Programas (Ver anexos)

De nuevo, cuando se manejan los límites "matemáticamente" pueden llegarse a resultados falsos, ya que no puede alcanzarse, con la tecnología actual de aire comprimido, eficiencias de compresión del 90 %

Costos exergético y termo económicos para las condiciones de operación del Caso base.

Costos exergéticos y termo económicos para el sistema óptimo.

Discusión de los resultados

• En la Tabla anterior, se muestran los costos exergéticos y exergoeconómicos correspondiente al conjunto de los valores sugeridos por la optimización local aproximada. Puede notarse que cada costo exergético y termoeconómico es más pequeño que el del Caso Base. Como una consecuencia, el costo termoeconómico global del producto pasa de 569,49 a 511,13 $.10^-6/s

• Período de recuperación descontado = 4,02 x 10^-6 $.s^-1/58,36 x 10^-6 $.s^-1/año

• =0,069 años (( 0,83 meses)

Costo de Operación y Amortización para el Caso Case y la instalación mejorada.

Incidencia del costo de amortización sobre el costo del producto final

• 1,936+5,03=6,97

• (6,97/569,49) x 100 = 1,22 %

• 3,87+7,122=10,99

• (10,99/511,13) x 100 = 2,15 %

Incidencia del costo de cada equipo con respecto al equipamiento total

MOTOR (Caso Base)

(1,936/6,97) x 100 = 28 %

MOTOR (Caso mejorado)

(3,87/10,99) x 100 = 35,21 %

COMPRESOR (Caso Base)

(5,03/6,97) x 100 = 72,17 %

COMPRESOR (Caso mejorado)

(7,122/10,99) x 100 = 64,8 %

Discusión de los resultados

• La Tabla anterior resume cómo los costos de operación (energía eléctrica) y los costos de amortización contribuyen a definir el costo del producto final (aire comprimido) tanto para el Caso Base como para el de las condiciones óptimas.

• Con respecto al Caso Base, el gasto debido al consumo de energía eléctrica.

• disminuye, debido a un mejor funcionamiento energético del motor y el compresor a pesar de que esta mejora es obtenida aumentando la inversión del motor y del compresor.

• Como consecuencia, la incidencia del costo de amortización sobre el costo del producto final aumenta sólo del 1,22 % al 2,15%.

• Se observa que, cuando se va del Caso Base al de la instalación mejorada, la incidencia del costo de cada equipo con respecto al equipamiento total no difiere mucho.

• El período de retorno descontado de una mayor inversión requerida para el sistema mejorado es alrededor de 1 mes (0,83 meses).

RECUPERACIÓN INVERSIÓN

INVERSIÓN:

(10,99-6,97) x 10^-6 $/s = 4,02 x 10^-6 $/s

UTILIDADES:

(569,49-511,13) x 10^-6 $/s-año

=58,36 x 10^-6 $/s-año

• Período de recuperación descontado

= INVERSIÓN / UTILIDADES

= 4,02 x 10^-6 $/s / 58,36 x 10^-6 $/s-año

= 0,069 años (( 0,83 meses)

Conclusiones

• Se aplicó la Termodinámica Avanzada, en particular la Termoeconomía y, en especial, la Teoría del Costo Exergético, al caso de la producción del aire comprimido como Puesto Clave, para hallar su diseño y operación óptimas aproximadas con respecto a dos variables de decisión.

• El método de minimización del costo propuesta en este trabajo se basó en los tres pasos principales: (a) Definición de una representación apropiada F-P-R de la instalación; (b) Cálculo de los costos exergoeconómicos de todos los flujos físicos que aparecen en la representación anterior con referencia a las condiciones de diseño y operación del Caso Base.

• Optimización local, secuencial, de los subsistemas que componen la instalación, mediante los costos exergoeconómicos previamente calculados.

• Se desarrolló un ejemplo numérico en el que se ha obtenido, con respecto al Caso Base, una reducción de aproximadamente 10,25 % para el costo total de operación y amortización de la instalación, aumentando la inversión del motor eléctrico en un 100 % y la del compresor en un 42 %, lográndose una disminución consecuente del costo relacionado al consumo de energía eléctrica del 11 %.

• La Teoría del Costo Exergético mostró que la optimización de la instalación pudo ser obtenida con un procedimiento simplificado, sin gran pérdida de precisión en comparación con los procedimientos convencionales y más sofisticados.

• Finalmente, pudo ser observado que, a diferencias de las técnicas numéricas o matemáticas, el análisis termoeconómico.

• también es capaz de dar sugerencias acerca de las mejoras potenciales de la efectividad del costo alcanzable por medio de cambios en la instalación, permitiendo alcanzar al analista un mejor conocimiento del proceso de formación del costo a través de los equipos que conforman la instalación.

Recomendaciones

Hallar la condición real óptima mediante algún programa de simulación para lograr que los resultados obtenidos sean bastante cercanos al óptimo real.

Bibliografía

Análisis termoeconómico: una herramienta para el establecimiento de acciones en el ahorro y conservación de la energía. 15 pág.

Análisis de la energía disponible en el proceso de producción de azúcar crudo. 15 pág.

Calidad de la Energía. Campos Avella, J. C. Universidad de Cienfuegos, ISBN 959-257-019-1,1998.

Curso termoeconomía Valero

FAIRES V.M. y otros. Problemas de Termodinámica. UTEHA. México. 1983.

Fernández Díez, Pedro. Termodinámica Técnica. Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética, Universidad de Cantabria, España (formato electrónico).

Gerencia exergética: un nuevo camino hacia el uso y conservación eficiente de la energía. 15 pág.

Hougen, Watern y Ragoutz. Principios de los Procesos Químicos, Tomo II. Hougen, Watern y Ragoutz.

Introducción a los métodos termoeconómicos de análisis. 20 Pág. Sistema de ayuda a la explotación de la CTE "Carlos Manuel de Céspedes". 15 pág.

Kotas, T. J. The exergy method of thermal plant analysis. Editorial Marabal. Florida. 1995

Material Básico de Termodinámica Avanzada.

Moran, M.J. y Shapiro, H.N. Fundamentos de Termodinámica Técnica. Ed. Reverté, Barcelona, 2004.

Monografía Métodos de Análisis Termodinámicos, Dra. Margarita Lapido

Rodríguez, Dr. Juan Castellanos Álvarez, MSc. Juan Carlos Armas Valdes.

Editorial Universo Sur, UCF, 2005. (formato electrónico)

Kirillin, V. A. Termodinámica Técnica. Editorial MIR. Moscú. 1986.

Anexos

Autor:

Lic. Juan Carlos Gil Santos

Especialista en Asistencia Técnica

Gerencia Energía, División Territorial Copextel, S.A. Sancti Spíritus, Cuba.

Sancti Spíritus, Enero 2009.