Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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CAPÍTULO 10
10-8 ■ COGENERACIÓN
En todos los ciclos analizados hasta ahora, el único propósito fue convertir en
tra ba jo, la for ma más va lio sa de ener gía, una par te del ca lor trans fe ri do ha cia el
flui do de tra ba jo. La par te res tan te del ca lor se li be ra en ríos, la gos, océa nos o
at mós fe ra co mo ca lor de de se cho, de bi do a que su ca li dad (o gra do) es de masiado
baja como para tener algún uso práctico. Desperdiciar una gran cantidad
de ca lor es un pre cio que se tie ne que pa gar pa ra pro du cir tra ba jo, de bi do a
que el tra ba jo eléc tri co o me cá ni co es la úni ca for ma de ener gía so bre la que
muchos dispositivos de ingeniería (como un ventilador) pueden operar.
Sin embargo, muchos sistemas o dispositivos requieren la entrada de energía
en forma de calor, también denominado calor de proceso. Algunas industrias
que se sustentan en procesos de calor son la química, de pulpa y papel,
producción y refinación de petróleo, fabricación de acero, procesamiento de
alimentos y textiles. El calor de proceso en estas industrias suele suministrarse
por medio de vapor entre 5 a 7 atmósferas y 150 a 200 °C (de 300 a 400 °F).
La energía se transfiere al vapor quemando carbón, petróleo, gas natural u
otro combustible en un horno.
A continuación examinamos de cerca la operación de una planta con un
proceso de calentamiento. Descartando cualquier pérdida térmica en la tubería,
se considera que todo el calor transferido hacia el vapor en la caldera
se usa en las unidades de calentamiento de proceso, como muestra la figura
10-21. Por consiguiente, el calentamiento de proceso se asemeja a una operación
perfecta, prácticamente sin desperdicio de energía. Sin embargo, según el
punto de vista de la segunda ley, las cosas no son tan perfectas. La temperatura
en los hornos por lo general es muy alta (alrededor de 1 400 °C), por
lo tanto la energía en el horno es de muy alta calidad. Esta energía de alta
calidad se transfiere al agua para producir vapor a aproximadamente 200 °C
o una temperatura menor (un proceso altamente irreversible). Asociada con
esta irreversibilidad está, desde luego, una pérdida en exergía o potencial de
trabajo. Simplemente no es sensato utilizar energía de alta calidad para llevar
a cabo una tarea que podría efectuarse con energía de baja calidad.
Las in dus trias que uti li zan gran des can ti da des de ca lor para sus procesos
tam bién con su men una gran can ti dad de ener gía eléc tri ca. Por con si guien te,
des de el pun to de vis ta de la in ge nie ría es más eco nó mi co uti li zar el po ten cial
de tra ba jo ya exis ten te pa ra pro du cir ener gía en vez de per mi tir que se desper
di cie. El re sul ta do es una cen tral que pro du ce elec tri ci dad mien tras cu bre
los re que ri mien tos de ca lor de cier tos pro ce sos in dus tria les. Una cen tral de
es te ti po es lla ma da planta de co ge ne ra ción. En ge ne ral, la co ge ne ra ción es
la pro duc ción de más de una for ma útil de ener gía (co mo ca lor de pro ce so y
ener gía eléc tri ca) a par tir de la mis ma fuen te de ener gía.
Tanto un ciclo de turbina de vapor (Rankine) como otro de turbina de gas
(Brayton), o incluso ciclo combinado (analizado más adelante), pueden utilizarse
como ciclos de potencia en una planta de cogeneración. El esquema de
una planta ideal de cogeneración con turbina de vapor se muestra en la figura
10-22. Suponga que esta planta va a suministrar calor de proceso Q . p a 500
kPa y a una tasa de 100 kW. Para cumplir esta demanda, el vapor se expande
en la turbina hasta una presión de 500 kPa, produciendo potencia a una tasa
de 20 kW. El flujo del vapor puede ajustarse de manera que éste salga de la
sección de calentamiento de proceso como líquido saturado a 500 kPa. Después
el vapor se bombea hasta la presión de la caldera y se calienta en ésta
hasta el estado 3. El trabajo de la bomba suele ser muy pequeño y puede ser
ignorado. Si se descarta toda pérdida de calor, la tasa de entrada de calor en la
caldera se determina a partir de un balance de energía de 120 kW.
El rasgo más sorprendente de la planta de cogeneración ideal de turbina
de vapor que se muestra en la figura 10-22 es la ausencia de un condensa-
Q entrada
Caldera
Bomba
Calentador
del proceso
FIGURA 10-21
Una planta simple con un proceso que
requiere el calentamiento.
120 kW
Caldera
2
3
Bomba
Turbina
.
W bomba ≅ 0
20 kW
4
Calentador
del proceso
FIGURA 10-22
Una planta de cogeneración ideal.
Q p
1
100 kW