Modelo matemático de un sistema de Cogeneración (I)

1. Resumen
2. Antecedentes de la cogeneración
3. Descripción del modelo de cogeneración
4. El motor de combustión interna
6. Sistema de recuperación del calor de desecho
7. Sistema de aire acondicionado por absorción
8. Caracterización del sistema de cogeneración
9. Referencias bibliográficas

RESUMEN

Con el objeto de explicar la naturaleza del proyecto de investigación, es pertinente exponer previamente un concepto propio de la realidad actual, éste es el de Gerencia de Energía. El mismo puede significar diferentes cosas a diferentes personas, pero su filosofía actual se centra en el uso juicioso y efectivo de la energía para maximizar rendimientos energéticos y minimizar costos económicos. Cuando se estudian los recursos energéticos se consideran dos aspectos: uno, el enfocado a la conservación de los mismos y el ahorro económico que se pueda obtener de su uso, y el otro, dirigido al ambiente, en lo referente a su uso racional y la disminución de efluentes térmicos y/o tóxicos .

La cogeneración representa un concepto energético que considera el acoplamiento de dos ciclos termodinámicos donde uno de ellos funciona con los desechos térmicos del otro. En nuestro caso específico, se estudia el acoplamiento entre un motor de combustión interna que impulsa un generador de electricidad por un lado, y un equipo de refrigeración por absorción a Bromuro de litio y agua por el otro, este ultimo funcionando con los desechos térmicos del motor.

Este Trabajo se dedica a la presentación de los fundamentos y herramientas de naturaleza teórica que son necesarios para el desarrollo e interpretación del modelo de cogeneración. Se comienza con los antecedentes de la cogeneración para poder entender su significado histórico, luego se busca comprender la razón de eficiencia de los motores de combustión interna como además de los generadores eléctricos acoplados a estos motores de combustión, los equipos de recuperación de calor residual proyectados por los motores, y por ultimo los sistemas de refrigeración por absorción a bromuro de litio y agua.

ANTECEDENTES DE LA COGENERACIÓN

La cogeneración no es un proceso nuevo, su aplicación data de los principios del siglo XVIII donde su más representativa forma eran los pequeños molinos instalados dentro de una chimenea.

A mediado de los años del siglo XIX los postulados de Sadi Carnot ( Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego) estimularon acciones para aprovechar al máximo el vapor de desecho de los motores a vapor, donde el concepto de recuperación era básicamente para la calefacción en las instalaciones industriales. En la última década del mismo siglo se manifestó el nacimiento de la industria eléctrica y la invención de los motores de combustión interna, los cuales propiciaron la expansión del mercado de la generación combinada de potencia y calor.

La cogeneración dentro de su evolución en el pasado no obedecía, como lo es ahora, a la necesidad de ahorrar energía, sino al propósito de asegurar el abasto de la electricidad y el Calor, que en esos años, era insuficiente y no confiable. Paralelamente al uso de turbinas en la generación eléctrica, venían también desarrollándose las máquinas alternativas de combustión interna (MCI), propio de la creciente necesidad de sistemas de generación más pequeños, versátiles y de menor inversión inicial. Pero la cogeneración en estos motores estaba enfocada a la utilización del calor residual para calefacción de las edificaciones, ya sea calentando aire o agua.

En la actualidad se diversifica el uso del calor residual creando ciclos combinados para el mejor aprovechamiento de la energía primaria, teniendo como ejemplo el acoplamiento de los MCI con los ciclos de refrigeración por absorción.

DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE COGENERACIÓN

En la figura 1 se representa gráficamente el sistema de cogeneración que es objeto de estudio. Se aprecia que el sistema consiste en el acoplamiento de dos ciclos, uno motor y otro sistema de refrigeración por absorción, descrito mediante los diagramas de carnot

Fig. 1 Esquema del sistema de Cogeneración

La vinculación entre los dos ciclos lo realiza un sistema de recuperación de calor que toma una fracción de la energía que desecha el motor, para con ello alimentar al generador del ciclo de refrigeración.

De esta manera, de acuerdo a lo que se presenta en la figura 1, se plantean las siguientes ecuaciones que servirán de base para el desarrollo del modelo:

Q°f = m°f . ΔHf "Potencia Térmica del combustible consumido" (1)

W° = ηt . Q°f "Potencia mecanica " (2)

Ge° = ηg . W° = ηg . ηt . Q°f "Potencia Eléctrica" (3)

Q°d = Q°f – W° "Potencia de los desechos térmicos" (4)

A partir de este conjunto de ecuaciones se determina el rendimiento del ciclo combinado, η comb , en termino de la potencia de refrigeración, Q°r, y la potencia eléctrica, G°e , en relación con lo que es necesario invertir, siendo esto la potencia térmica del combustible que se entrega en el motor , Q°f , se expresa lo siguiente:

η comb = ( Q°r + G°e ) / Q°f (5)

En nuestro caso, el η comb representa un factor de calidad de energía que servirá como medio de comparación entre sistemas. Este factor es muy característico porque reúne dos tipos de energía, una térmica y otra eléctrica, propio del concepto de Cogeneración.

La figura.2 muestra el circuito de los fluidos que transportan la energía térmica a distintas partes del sistema, esto no es más que una mezcla de agua y aditivo. El sistema de recuperación de calor referido en la figura 2, consta de dos intercambiadores de calor, uno donde se recupera el calor latente posible en la camisa del motor y el otro donde se recupera el calor latente posible de los gases de escape.

De las figuras 1 y 2, se desprende que para caracterizar el ciclo de cogeneración, como un todo, es preciso caracterizar previamente al MCI, a los intercambiadores de calor, y al ciclo de refrigeración; aspectos estos a ser desarrollado a continuación.

Fig. 2 Circuito de Fluidos del sistema de Cogeneración