1.3.2-ut5 (manual de teoría)

UNIDAD DIDÁCTICA 5

EFICIENCIA ENERGÉTICA EN INDUSTRIAS

MÁSTER UNIVERSITARIO DE GESTIÓN Y DISEÑO

DE PROYECTOS E INSTALACIONES CURSO 2014-2015

ASIGNATURA

EFICIENCIA Y AHORRO DE ENERGÍA

UNIDAD 5. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN INDUSTRIAS

MÁSTER DE GESTIÓN Y DISEÑO EFICIENTE DE PROYECTOS E INSTALACIONES 1

ÍNDICE

Página

OBJETIVOS. ................................................................................................................................. 3

INTRODUCCION........................................................................................................................... 5

5.1. ILUMINACIÓN. ............................................................................................................. 7

5.1.1. APROVECHAMIENTO DE LA ILUMINACIÓN NATURAL. ............................... 11

5.1.2. ADAPTACIÓN DEL NIVEL DE ILUMINACIÓN. ................................................ 12

5.1.3. SUSTITUCIÓN DE LÁMPARAS Y LUMINARIAS. ............................................ 125.1.4. SUSTITUCIÓN DE REACTANCIAS ELECTROMAGNÉTICAS POR BALASTOS ELECTRÓNICOS EN LÁMPARAS FLUORESCENTES. ........................... 14

5.1.5. CONTROL, GESTIÓN Y MANTENIMIENTO. ................................................... 145.2. MOTORES. ................................................................................................................. 15

5.2.1. SELECCIÓN CORRECTA DEL MOTOR PARA LA APLICACIÓN A LA CUAL ESTÁ DESTINADO......................................................................................................... 185.2.2. UTILIZACIÓN DE MOTORES DE ALTA EFICIENCIA...................................... 18

5.2.3. USO DE VARIADORES DE FRECUENCIA...................................................... 19

5.2.4. SUSTITUCIÓN EN LUGAR DE REPARACIÓN DE MOTORES USADOS. ..... 19

5.2.5. OPTIMIZACIÓN DE LA TRANSMISIÓN. .......................................................... 195.3. SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDO. ........................................................................ 20

5.3.1. RECUPERACIÓN DEL CALOR EN REFRIGERACIÓN. .................................. 215.3.2. ELIMINACIÓN DE FUGAS. ............................................................................... 21

5.3.3. FRACCIONAMIENTO DE POTENCIA DE LOS COMPRESORES. ................. 21

5.3.4. CONTROL, GESTIÓN Y MANTENIMIENTO. ................................................... 225.4. BOMBAS Y VENTILADORES ................................................................................... 22

5.4.1. ESTUDIO DE LA IDONEIDAD DEL CIRCUITO................................................ 235.4.2. REGULACIÓN ADECUADA.............................................................................. 23

5.5. PRODUCCIÓN INDUSTRIAL DE FRÍO..................................................................... 24

5.5.1. ADECUACIÓN DE LA DEMANDA DE FRÍO..................................................... 25

5.5.2. RECUPERACIÓN DE CALOR. ......................................................................... 25

5.5.3. AISLAMIENTO EN CÁMARAS FRIGORÍFICAS. .............................................. 26

5.5.4. SISTEMAS PARA MINIMIZAR LAS FUGAS DE FRÍO EN CÁMARAS FRIGORÍFICAS............................................................................................................... 27

5.6. MEDIDAS DE CARÁCTER HORIZONTAL (TECNOLOGÍAS TÉRMICAS) ............. 27

5.6.1. SUSTITUCIÓN Y DIVERSIFICACIÓN DE COMBUSTIBLES........................... 27

5.6.2. SUSTITUCIÓN DE QUEMADORES. ................................................................ 275.7. CALDERAS. ............................................................................................................... 28

5.7.1. RECUPERACIÓN DEL CALOR SENSIBLE DE LOS HUMOS DE LA CALDERA. ...................................................................................................................... 29

5.7.2. AJUSTE Y CONTROL DE LA COMBUSTIÓN.................................................. 29

5.7.3. SUSTITUCIÓN DE CALDERAS ANTIGUAS POR CALDERAS DE ALTO RENDIMIENTO. .............................................................................................................. 29

5.8. HORNOS. ................................................................................................................... 30

5.8.1. SUSTITUCIÓN DE HORNOS. .......................................................................... 30

5.8.2. AISLAMIENTO................................................................................................... 31

5.8.3. RÉGIMEN DE FUNCIONAMIENTO. ................................................................. 31

5.8.4. REGULACIÓN DE TEMPERATURA................................................................. 31

5.8.5. RECUPERACIÓN DE CALOR RESIDUAL. ...................................................... 315.9. SECADEROS. ............................................................................................................ 32

ÍNDICE

2 MASTER EN GESTIÓN Y DISEÑO EFICIENTE EN PROYECTOS E INSTALACIONES

5.9.1. RECIRCULACIÓN DEL AIRE. .......................................................................... 33

5.9.2. UTILIZACIÓN DE AIRE CALIENTE PROVENIENTE DE OTROS EQUIPOS.. 33 5.10. AUDITORÍAS ENERGÉTICAS EN INDUSTRIAS. .................................................... 33

RESUMEN................................................................................................................................... 47



OBJETIVOS.

� Conocer todos los tipos de auditorías energéticas en el sector Agroalimentario.

� Ser capaz de realizar auditorías y estudios de eficiencia que permitan diagnosticar la situación energética del suministro.

� Proponer medidas para optimizar el consumo de recursos y los costes.

� Saber realizar un seguimiento genérico de las medidas propuestas en una auditoría energética.

� Conocer los trámites administrativos en la realización de auditorías energéticas.



INTRODUCCION.

En el ámbito del sector industrial se puede abordar la eficiencia energética desde dos puntos de vista. Por un lado la eficiencia energética dentro de las tecnologías eléctricas y por otro lado la eficiencia energética en las tecnologías de generación y utilización de calor.

En el primer bloque destacan varios aspectos susceptibles de mejora desde el punto de vista de la eficiencia energética. Por un lado la optimización de la factura eléctrica (este aspecto se expone en la unidad temática 3 de esta asignatura y se le da un desarrollo importante en la asignatura 7.2. Mercados energéticos y asesoramiento tarifario para la gestión de la energía). Los aspectos referentes a la mejora de la eficiencia energética de las tecnologías eléctricas que se desarrollan en esta unidad temática son la iluminación, los motores, sistemas de aire comprimido, bombas y ventiladores y producción industrial de frío.

Los aspectos referentes a la mejora de eficiencia energética en industrias en tecnologías de generación y utilización de calor son, en este orden, medidas de carácter horizontal, calderas, hornos de gas y secaderos.

Algunas medidas se vuelven a repetir en otro tipo de auditoría energética pero en este tema se desarrollan con mayor profusión.



5.1. ILUMINACIÓN.

La iluminación es una instalación importante en todo tipo de industrias. Son instalaciones multisectoriales debido a la gran repercusión de los consumos. En la figura 5.1 se muestran unas cifras respecto al porcentaje de energía utilizado en iluminación en diferentes sectores productivos.

Figura 5.1.- Porcentaje de iluminación respecto al total de energía eléctrica

Los elementos que constituyen un sistema de alumbrado son los siguientes:

- luminarias.

- lámparas y equipos auxiliares.

- soportes.

- elementos de instalación y protección.

- cuadro de mandos y protecciones.

Los factores que influyen en el consumo de iluminación son los siguientes:

- Potencia instalada.

- Horas de funcionamiento.

- Nivel de iluminación deseado.

- Rendimiento de las lámparas.

- Eficiencia de las luminarias.

- Dispositivos de regulación y control.

Para que un sistema de iluminación sea correcto desde el punto de vista energético se han de cumplir una serie de objetivos:

- mayor eficiencia energética

- reducción de emisiones de CO2

- reducción del resplandor luminoso.

Hay una serie de parámetros que han de ser tenidos en cuenta en el estudio energético de una instalación luminosa.

- Flujo luminoso (φ): cantidad de flujo energético en las longitudes de onda para las que el ojo humano es sensible emitido por unidad de tiempo, es decir, expresa la cantidad de luz emitida por la fuente por segundo. Las unidades son lúmenes (lm).

- Intensidad lumínica (I): flujo emitido por una fuente de luz en una determinada dirección definida por el ángulo sólido. Se mide en candelas (cd).

PROYECTOS DE INSTALACIONES DE AGUA Y PROTECCION CONTRA INCENDIOS


- Iluminancia (E): flujo luminoso que recibe una superficie por unidad de área. La iluminancia mantenida es el valor por debajo del cual no puede descender la iluminancia media para una determinada tarea. Se mide en lux (lm·m-2).

- Luminancia (L): relación entre la intensidad luminosa de un objeto y su superficie. Equivalente al brillo de la superficie. Unidades cd·m-2.

- Índice de deslumbramiento unificado (UGR): índice para cuantificar el deslumbramiento ocasionado directamente por fuentes de luz. Unidades escala: 10-31.

- Color: se percibe sensación de color en los objetos debido a la luz que incide en nuestra retina. El color de los objetos está influenciado en gran medida por las propiedades cromáticas de las fuentes de luz empleadas.

- Índice de reproducción cromática (Ra): capacidad de una fuente de luz para reproducir el color de los objetos que ilumina. Unidades escala 1-100.

- Temperatura de color: apariencia subjetiva de color de una fuente de luz, es decir, el color que percibe el observador de la luz.

Figura 5.2.- Temperatura de color.

La clasificación general de las lámparas viene expresada en la figura 5.3.

Figura 5.3.- Clasificación general de lámparas.

Se muestran en los siguientes apartados los detalles de cada una de ellas.

- Lámparas incandescentes.

Dentro de las lámparas incandescentes se distinguen las no halógenas y las halógenas.

Las lámparas incandescentes no halógenas eran las más utilizadas en el sector doméstico por su bajo coste y versatilidad. Su funcionamiento se basa en que se hace pasar una corriente eléctrica por un filamento de wolframio. Actualmente hay una retirada progresiva del mercado y se han dejado de fabricar.



Figura 5.4.- Lámparas incandescentes no halógenas.

Las lámparas incandescentes halógenas tienen una duración y eficiencia mejoradas. Además poseen un coste superior y un uso más delicado. Incorporan un gas para evitar que se evapore el wolframio del filamento y se deposite en la ampolla disminuyendo así el flujo luminoso.

Figura 5.5.- Lámparas incandescentes halógenas.

- Lámparas de descarga.

La luz se consigue por excitación de un gas sometido a descargas eléctricas entre dos electrodos. Para su funcionamiento necesita de un equipo auxiliar. En el ámbito industrial son las más utilizadas., encontrándose distintos tipos en función del gas y la presión.

• Lámparas fluorescentes tubulares. Se trata de lámparas de vapor de mercurio de baja presión. Se aplican en interiores de alturas reducidas. Son de larga duración y bajo coste de adquisición. Tienen una gran variedad de apariencias de color. Son lámparas de potencias bajas. Hay dos tipos: de balasto electromagnético y de balasto electrónico (en éstas el coste aumenta).

• Lámparas fluorescentes compactas. Tienen el mismo funcionamiento que las fluorescentes tubulares. Están formadas por uno o varios tubos fluorescentes doblados. Muchas llevan el equipo auxiliar directamente incorporado.

• Lámparas de vapor de mercurio de alta presión. Tienen un mayor flujo luminoso que la fluorescencia, aunque no instantáneo. Tienen una eficacia menor y un coste medio de adquisición.



Figura 5.6.- De izquierda a derecha, lámpara fluorescente tubular, fluorescente compacta y de vapor de

mercurio de alta presión.

• Lámparas de vapor de sodio de baja presión. Tienen radiación monocromática, de color amarillento. Son muy eficientes. Tienen un elevado tamaño para grandes potencias. Se usan en autopistas y áreas industriales.

• Lámparas de vapor de sodio de alta presión. Mejoran la reproducción cromática de las de baja presión. Tienen alta eficiencia respecto al resto de lámparas. Se utilizan en instalaciones industriales interiore sy exteriores. Existe otra tipología con mayor nivel de presión denominada sodio blanco que proporcionan mayor reproducción cromática.

Figura 5.7.- De izquierda a derecha, lámpara de vapor de sodio de baja presión y de alta presión.

• Halogenuros metálicos. Poseen halogenuros metálicos con los que mejoran considerablemente la reproducción del color. Tienen un coste de adquisición elevado. Duración media.

• Lámparas mezcladoras. Combinación de lámparas de vapor de mercurio a alta presión y las incandescentes junto con un recubrimiento fosforescente. No necesitan balasto. La eficacia luminosa y reproducción de colores son pobres. Están en desuso.

Figura 5.8.- De izquierda a derecha, halogenuro metálico y lámpara mezcladora.



- Lámparas de inducción. Basada en el principio de descarga de gas a baja presión pero prescinde de electrodos. Tienen una vida útil muy larga.

- Lámparas LED. Están basados en semiconductores que transforman la corriente en luz (LED: Light Emitting Diode). Tienen una vida mayor con respecto al resto de lámparas. Son mucho más eficientes (del orden del 80%). El precio es muy elevado. Necesitan ser subvencionadas.

Figura 5.9.- De izquierda a derecha, lámparas de inducción y lámpara LED.

Las medidas para la mejora de la eficiencia energética en iluminación son las siguientes:

- Aprovechamiento de la iluminación natural.

- Adaptación del nivel de iluminación.

- Sustitución de lámparas y luminarias.

- Sustitución de reactancias electromagnéticas por balastos electrónicos en lámparas fluorescentes.

- Control, gestión y mantenimiento.

5.1.1. APROVECHAMIENTO DE LA ILUMINACIÓN NATURAL.

Ésta es una de las medidas más sencillas si se tiene en cuenta desde el momento del diseño del local.

Una de las medidas más importantes en este aspecto es la orientación al norte de naves industriales con el fin de aprovechar más luz natural. Con este fin se suelen diseñar las cubiertas en diente de sierra.

Figura 5.10.-De izquierda a derecha, nave en diente de sierra e iluminación natural a baja altura.

En el mismo sentido, en plantas de fabricación se suele proporcionar iluminación natural a baja altura solamente en fachadas no afectadas directamente por la radiación o disponer de sistemas de difusión para evitar deslumbramientos.



5.1.2. ADAPTACIÓN DEL NIVEL DE ILUMINACIÓN.

Una medida importante que se puede hacer en las fases posteriores a la construcción del edificio es el ajuste del nivel luminoso a las necesidades reales de cada zona.

Para ello hay que hacer una identificación de las necesidades de cada zona y adecuación del nivel de iluminación mediante sustitución y eliminación de lámparas.

Esta adaptación se puede seguir adecuadamente en el RD 486/1997 “Disponibilidades mínimas de seguridad y salud en los lugares de trabajo”. En este RD se indican las necesidades mínimas de iluminación dependiendo de la exigencia visual del local.

Figura 5.11.-Necesidades mínimas de iluminación del RD 486/1997.

La norma 12464-1:2012 también hace referencia a la iluminación de los lugares de trabajo. (http://www.vpled.com/docs/UNE-EN_12464.pdf)

Figura 5.12.-Ejemplo de datos de aplicación de la UNE 12464-1:2012.

En esta norma se indican los parámetros mínimos que han de cumplir desde el punto de vista lumínico los locales de trabajo.

Em: iluminancia mantenida.

UGRL: índice de deslumbramiento unificado (escala de 10 a 31).

Ra: índice de reproducción cromática.

5.1.3. SUSTITUCIÓN DE LÁMPARAS Y LUMINARIAS.

En la figura 5.13 se muestra una comparativa entre las diferentes lámparas de uso industrial.

Como recomendaciones generales destacan las siguientes:

- Las lámparas de vapor de sodio destacan por su alto rendimiento y larga vida útil con respecto a los demás. Se instalarán en nuevas edificaciones con techos altos siempre que no se exija una reproducción cromática elevada.

- Generalmente se suelen sustituir lámparas de vapor de mercurio de alta presión por vapor de sodio de alta presión, pues son mucho más eficientes.



Figura 5.13.-Comparativa entre lámparas de uso industrial.

- Al abordar la sustitución, además de los criterios energéticos hay que tener en cuenta otros aspectos (p. ej. características mecánicas de las luminarias adecuadas para albergar la nueva lámpara).

- Las lámparas fluorescentes encuentran su aplicación en edificios de altura media (3<h<6).

- Los halogenuros metálicos tienen elevado coste pero muy buena reproducción cromática. No son usuales en industrias.

Como recomendación general decir que no existe la lámpara perfecta. Cada una tiene su ámbito de aplicación y además de los criterios energéticos se han de tener en cuenta los costes, la reproducción cromática, etc.

Los criterios a la hora de escoger una lámpara son los siguientes:

- Coste

- Índice de reproducción cromática.

- Vida útil.

- Grado de emisión de calor.

- Tiempo de estabilización del flujo luminoso.

- Dimensiones y facilidad de la instalación.

En la figura 5.14 se muestran las aplicaciones más comunes de las lámparas para uso industrial.

Figura 5.14.-Aplicaciones más comunes de las lámparas de uso industrial.



Otro elemento a considerar en la sustitución de luminarias es el elemento donde va alojada la lámpara. La función de este elemento es distribuir la luz y evitar deslumbres. En instalaciones existentes, la sustitución de luminarias por otras de mayor rendimiento mejora las condiciones visuales y conlleva importantes ahorros.

Figura 5.15.-Diferentes elementos de alojamiento de la lámpara.

5.1.4. SUSTITUCIÓN DE REACTANCIAS ELECTROMAGNÉTICAS POR BALASTOS ELECTRÓNICOS EN LÁMPARAS FLUORESCENTES.

Las lámparas fluorescentes son las más utilizadas para las zonas con necesidad de buena calidad de luz y pocos encendidos (zonas de oficinas).

Es necesario un equipo auxiliar para regular la intensidad de paso. Este equipo auxiliar puede ser de dos tipos.

Por un lado una reactancia o balasto convencional (electromagnética). Al ser espiras arrolladas sobre un núcleo producen pérdidas térmicas elevadas.

Otro tipo son las reactancias electrónicas. Poseen un sistema de alimentación a alta frecuencia. Tienen un consumo energético menor debido a la ausencia de inducción.

La idea de esta mejora es la sustitución de los primeros dispositivos por los segundos.

Las ventajas de este cambio son variadas:

- Aumenta un 20-25% la eficiencia del conjunto de la lámpara con los equipos auxiliares.

- Se consigue un mayor número de encendidos y un mejor factor de conservación de las lámparas.

- El encendido es prácticamente instantáneo.

- Hay una menor tensión de encendido.

- El factor de potencia es próximo a la unidad.

- El flujo luminoso tiene una fácil regulación.

- Se elimina el efecto estroboscópico.

5.1.5. CONTROL, GESTIÓN Y MANTENIMIENTO.

Para tener una iluminación de calidad el sistema ha de funcionar cuando es necesario y durante el tiempo que es preciso.



Para poder establecer una iluminación de calidad es preciso disponer de un sistema de gestión completo. Este sistema ha de disponer diferentes tipos de dispositivos:

- Sistemas de control de tiempo: control de encendido según horario (interruptores horarios).

- Sistemas de control de la ocupación: incluye detectores de presencia (pasillos y zonas de servicios).

- Sistemas de aprovechamiento de luz diurna: Fotocélulas (encendido en función del nivel de iluminación.

- Sistemas de gestión de la iluminación: Interruptores sectoriales.

Adicionalmente hay que considerar una serie de puntos clave para conseguir una iluminación eficiente.

- Luz suficiente: disponer de niveles adecuados de luz, según la naturaleza de la tarea visual.

- Iluminación uniforme: una iluminación general con un alto grado de uniformidad garantiza total libertad a la hora de situar la maquinaria (en cualquier punto 200 lux).

- Buena iluminación vertical: en ciertos trabajos la tarea visual está localizada en el plano vertical.

- Fuentes de luz bien apantalladas: fundamentalmente en alturas de montaje bajas debido a que producen un flujo elevado en todas direcciones.

- Brillo de equilibrio uniforme: proporciona sensación de confort.

- Color de luz agradable: fuente con una apariencia de color agradable y un buen rendimiento de color.

- Bajo coste de mantenimiento: es tan importante como la maquinaria moderna y un personal motivado.

5.2. MOTORES.

Conceptualmente, un motor es una máquina que absorbe la energía eléctrica y la transforma en energía mecánica. Durante el proceso de transformación de la energía se producen pérdidas en forma de calor.

Es uno de los equipos de mayor uso industrial ya que tiene múltiples aplicaciones.

Dentro de los motores se pueden distinguir en función del tipo de corriente eléctrica que reciben los siguientes motores:

- Motores de corriente contínua: Poseen una fácil regulación de la velocidad de giro. Son menos fiables que los de corriente alterna. Tienen pocas aplicaciones industriales.

- Motores de corriente alterna. Dentro de ellos se distinguen dos grupos.

• Asíncronos o de inducción. Su funcionamiento se basa en la creación de un campo magnético en el entrehierro.

• Síncronos. La velocidad del sincronismo coincide con la velocidad del rotor.

Las partes de un motor se reflejan en la figura 5.16.



Figura 5.16.-Partes de un motor eléctrico.

En la figura 5.17 se detalla el sistema de ventilación de un motor.

Figura 5.17.-Sistema de ventilación de un motor eléctrico.

Los principales parámetros de un motor se muestran en su placa característica (figura 5.18) y son:

- Tensión (V).

- Intensidad nominal y de arranque (A).

- Potencia nominal del motor (kW ó CV). Se trata de la potencia útil en eje cuando el motor se encuentra funcionando en régimen nominal (no confundir con la potencia absorbida de la red eléctrica).

- Factor de potencia: depende de la frecuencia y la tensión (P=I·V·cosϕ).

- Velocidad de giro: depende de la frecuencia de la red eléctrica (rpm).

Hay otros dos parámetros que no aparecen en la placa.

- Factor de carga: indica el porcentaje de la capacidad del motor que está siendo utilizado.

- Rendimiento eléctrico: potencia obtenida en el eje entre potencia absorbida de la red.



Figura 5.18.-Placa de un motor eléctrico.

Todo motor tiene unas pérdidas características.

Las pérdidas eléctricas dependen del régimen de trabajo del motor (factor de carga). Se presentan tanto en el rotor como en el estator y se reflejan como calentamiento a través del embobinado.

Las pérdidas mecánicas se dividen en pérdidas por fricción y por ventilación. Las primeras ocurren por fricción entre el rotor y el estator y al rozamiento de los rodamientos del eje. Las segundas son consecuencia del rozamiento de las partes en movimiento con el aire.

Por último, las pérdidas en el núcleo representan la energía requerida para magnetizar el núcleo. Es independiente de la carga. Todas ellas se representan en la figura 5.19.

Figura 5.19.-Pérdidas de un motor eléctrico.

Medidas para mejorar la eficiencia energética de un motor:

- Selección correcta del motor para la aplicación a la cual está destinado.

- Utilización de motores de alta eficiencia.

- Uso de variadores de frecuencia.

- Sustitución en lugar de reparación de motores usados.

- Optimización de la transmisión.



5.2.1. SELECCIÓN CORRECTA DEL MOTOR PARA LA APLICACIÓN A LA CUAL ESTÁ DESTINADO.

Hay que considerar que el motor debe trabajar al mayor rendimiento posible para que no dé excesivas pérdidas.

Figura 5.20.-Potencia del motor frente al factor de carga.

Se muestra en la figura 5.20 que el mayor rendimiento se obtiene con un factor de carga del 75%. Por debajo del 25% hay una disminución drástica. Por tanto, un ajuste del factor de carga a valores superiores al 75% sería una medida adecuada para la mejora de la eficiencia energética.

5.2.2. UTILIZACIÓN DE MOTORES DE ALTA EFICIENCIA.

Los motores de alta eficiencia cuentan con un diseño y construcción especiales que favorecen unas menores pérdidas que los motores estándar.

Hay que tener en cuenta que en los costes de operación de un motor el coste de compra en el 1%, el coste de la energía el 95%, el coste de mantenimiento es el 3% y el coste de ingeniería y logística es el 1%. La eficiencia es un coste importante a la hora de comprar un motor.

En la figura 5.21 se muestra la diferencia de rendimientos en función de la potencia de un motor de 2 polos. El rendimiento del motor aumenta en un 10% a bajas potencias.

Figura 5.21.-Comparativa del motor de eficiencia normal con el rendimiento standard, mejorado y alto

rendimiento para un motor de 2 polos.



Las ventajas de utilizar motores de alta eficiencia son la mayor robustez que implica un menor gasto de mantenimiento. Mayor eficiencia que implican un menor coste de operación.

Como limitaciones de esta medida correctora es que las operaciones a velocidades mayores implican un incremento de la carga, además de corrientes de arranque mayores.

Como recomendaciones genéricas se recomienda emplear motores de entre 10 y 75 CV cuando las horas de funcionamiento sean superiores a 2500 horas anuales. Los motores de menor potencia de 10 CV y mayor de 75 CV se emplean cuando trabajan más de 4500 horas anuales.

Otra recomendación es que este tipo de motores se empleen cuando se sustituyan motores sobredimensionados.

En el caso de que se usen los motores con variadores de frecuencia también es recomendable el uso de motores de alta eficiencia.

5.2.3. USO DE VARIADORES DE FRECUENCIA.

Los motores de corriente alterna son rígidos en cuanto a su velocidad, es decir no pueden variar su velocidad por sí mismos. Si se varía la frecuencia de alimentación del motor se controla la velocidad del mismo.

Esta posibilidad de cambio de velocidad por medio de un variador de frecuencia tiene diferentes aplicaciones (bombas, ventiladores, compresores, etc).

Figura 5.22.-Relación de la velocidad de giro con la frecuencia del motor.

5.2.4. SUSTITUCIÓN EN LUGAR DE REPARACIÓN DE MOTORES USADOS.

Cuando falla un motor se pude optar a repararlo o sustituirlo.

A la hora de decidir cuál es la solución más adecuada hay que tener en cuenta una serie de factores:

- Comparar el precio de la reparación con el precio de un nuevo motor.

- La pérdida de rendimiento en el rebobinado.

Como recomendaciones genéricas se aconseja en los motores de menos de 40 CV y más de 15 años reemplazarlos.

También se recomienda reemplazarlos cuando el coste de reparación sea mayor que el 50% de un motor nuevo.

5.2.5. OPTIMIZACIÓN DE LA TRANSMISIÓN.

Los equipos de transmisión transmiten el par motor.

Hay una serie de recomendaciones respecto a la transmisión:



- Cuando hay acople directo se recomienda asegurar un acoplamiento correcto.

- Si la transmisión es por correas se recomienda usar bandas en V y preferentemente dentadas.

- En el caso que haya reductores se adecuarán a la potencia y la relación de velocidades.

- En el caso de transmisión de cadenas hay ausencia de deslizamiento. Se recomienda para cargas elevadas.

Figura 5.23.-Principales elementos de transmisión en un motor.

5.3. SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDO.

Los sistemas de aire comprimido tienen la función de suministrar un determinado caudal de aire a una presión superior a la atmosférica.

Las aplicaciones del aire comprimido son muchas y variadas en instalaciones industriales:

- Obtención de trabajo mecánico (lineal o rotativo). - Atomización para la limpieza de superficies. - Atomización para la aplicación de pinturas. Las partes de una instalación de aire comprimido son: - Compresor. - Depósito de almacenamiento y regulación. - Enfriador. - Deshumificador. - Líneas de distribución y puntos de consumo.

Figura 5.24.-Esquema de una instalación de aire comprimido.

Las medidas para mejorar la eficiencia energética en una instalación de aire comprimido son:



- Recuperación del calor en refrigeración. - Eliminación de fugas. - Fraccionamiento de potencia de los compresores. - Control, gestión y mantenimiento.

5.3.1. RECUPERACIÓN DEL CALOR EN REFRIGERACIÓN.

La refrigeración del aire comprimido es en principio un sistema ineficiente. Del total de la energía absorbida por el compresor un 5% de ella está asociada al aire comprimido y el 95% en forma de calor. Esto último indica que hay un potencial ahorro de energía con estas pérdidas de calor.

Dependiendo del fluido que sirva para refrigerar el compresor se dispone de dos sistemas distintos que aprovechan la energía en otras instalaciones de la industria.

Figura 5.25.-Tipos de refrigeración del compresor.

En el caso de los compresores refrigerados por aire, el aire del compresor se puede utilizar en climatización (solución estacional).

Para los compresores refrigerados por agua hay más posibilidades. Se puede instalar un acumulador y el calor acumulado servirá para calentar agua caliente sanitarias (ACS). Con un intercambiador se puede aprovechar el calor generado para climatización.

5.3.2. ELIMINACIÓN DE FUGAS.

Un inadecuado mantenimiento de la instalación puede generar la mayor parte de las fugas en la instalación de aire comprimido.

La eliminación total de las fugas es prácticamente imposible pero con un buen mantenimiento se reduce considerablemente el consumo.

El mantenimiento para evitar las fugas supone un bajo coste en comparación con el ahorro obtenido.

5.3.3. FRACCIONAMIENTO DE POTENCIA DE LOS COMPRESORES.

Ésta es una opción interesante cuando hay gran consumo de aire comprimido.

La idea principal de esta medida consiste en utilizar varios compresores, uno de ellos de velocidad variable. El compresor de velocidad variable se adecúa al régimen de funcionamiento. El resto entran en funcionamiento en función de las necesidades. Con este sistema todos los compresores operan de forma óptima.



Figura 5.26.-Compresores con funcionamiento variable en función de la demanda. El primero de ellos (arriba a la derecha) es de velocidad variable.

5.3.4. CONTROL, GESTIÓN Y MANTENIMIENTO.

Este tipo de medidas conlleva una serie de recomendaciones genéricas. Por un lado es adecuado parar los compresores que actúen en vacío. Estos compresores consumen entre el 20 y el 25% de la energía. Además se evita consumo de la reactiva.

El mantenimiento de la mínima presión posible de la red es otra de las medidas adecuadas de control, gestión y mantenimiento. Con ello se consigue la presión mínima para la compresión. Además se disminuyen fugas.

La instalación de la toma de aire en zonas frías también contribuye a la mejora de la eficiencia energética. Esto se explica porque con el aumento de la temperatura se disminuye la densidad de aire y a su vez aumenta el consumo energético para un mismo caudal y presión de descarga.

Un último aspecto a considerar en la mejora de la eficiencia energética es el establecimiento de operaciones básicas de mantenimiento.

5.4. BOMBAS Y VENTILADORES

La finalidad de estos dispositivos es transportar el fluido hasta el punto de consumo, almacenamiento o evacuación, venciendo una determinada altura geométrica y las pérdidas por rozamiento.

El sistema de bombeo se compone de dos partes diferenciadas:

- Circuito hidráulico. Se caracteriza por la longitud, diámetro y rugosidad. Para cada caudal va asociada una pérdida de carga (curva característica del circuito).

- Equipo de bombeo. Son las bombas que mueven el fluido aportando la energía necesaria para vencer la altura y las pérdidas. En función del caudal la bomba permite impulsar el fluido hasta una altura determinada (curva característica de la bomba).



Figura 5.27.-Curva característica de una bomba junto con la curva de la instalación.

El consumo energético de una instalación se debe a la altura geométrica, pérdidas de carga y pérdidas del motor.

Las instalaciones de ventilación y extracción son similares a las del bombeo y hay una diferencia en el fluido transportado (en este caso el aire).

En estas instalaciones se plantean dos medidas para mejorar la eficiencia energética:

- Estudio de la idoneidad del circuito.

- Regulación adecuada.

5.4.1. ESTUDIO DE LA IDONEIDAD DEL CIRCUITO.

Se basa esta medida en que la característica de funcionamiento de una bomba es claramente no lineal.

Por esta razón hay un funcionamiento ineficiente fuera del rango óptimo.

Hay tres posibilidades para volver a poner una bomba en funcionamiento dentro del rango óptimo. Por un lado la modificación del circuito. Por otro lado la modificación del punto de funcionamiento. Un último aspecto es la necesidad de ajuste o sustitución. En otros temas en los que estén involucradas las bombas de la instalación se ven con más detalle estas medidas (por ejemplo en el tema de auditorías energéticas en comunidades de regantes).

5.4.2. REGULACIÓN ADECUADA.

En ocasiones es necesario variar el caudal.

Para variar el caudal hay diferentes métodos:

- Mediante válvulas de estrangulamiento. Con esta medida se introduce una pérdida de carga en el circuito y el rendimiento global desciende.



- Arranque / parada: esta opción es perjudicial para la bomba ya que produce golpes de ariete. Mejor utilizar la medida anterior.

- By-pass: se recircula cierta cantidad de fluido por la apertura de una válvula de by-pass. Es la opción menos eficiente energéticamente.

- Variador de frecuencia: es el métodos más eficiente, ya que la bomba opera en su de punto óptimo de funcionamiento.

5.5. PRODUCCIÓN INDUSTRIAL DE FRÍO.

Hay determinadas industrias que tienen necesidades de frío para mantenimiento de sus procesos productivos (industria alimentaria, bebidas, química, etc).

Para ello estas industrias necesitan de tecnologías de generación de frío.

Una de las tecnologías se basa en el ciclo de compresión mecánica del vapor o fluido frigorígeno. Esta compresión mecánica conlleva un consumo de energía.

Los elementos más importantes de una instalación frigorífica son:

- Compresor: va acoplado a un motor y realiza la compresión refrigerante.

- Condensador: en su interior se produce la condensación refrigerante.

- Válvula de expansión: permite la expansión del refrigerante.

- Evaporador: en su interior el refrigerante absorbe el calor del aire y se evapora.

- Circuito refrigerante: tuberías.

Figura 5.28.-Esquema de circuito frigorífico con ciclo de compresión mecánica de vapor .

El coeficiente de operación (COP) en este caso es el cociente entre el efecto refrigerante y el trabajo neto en el compresor.

Otra posibilidad de obtener frío es la compresión por absorción. Esta tecnología consume energía térmica.

Los elementos constituyentes de este sistema son:

- Evaporador: se produce la evaporación del refrigerante. Esto permite absorber el calor latente de evaporación.



- Absorbedor: se produce la absorción del agua por parte del bromuro de litio (o de amoniaco por parte del agua).

- Generador: Mediante aplicación térmica de calores residuales se produce una evaporación separándose el refrigerante del absorbente.

- Condensador: en él se produce la condensación del refrigerante.

Las aplicaciones de este sistema se pueden hacer mediante solar térmico (solar cooling) o bien por aprovechamiento de calores residuales de motores.

Para este caso el coeficiente de operación (COP) es el cociente entre el efecto refrigerante y el calor que va al generador.

Figura 5.29.-Esquema de circuito frigorífico con ciclo de compresión por absorción.

Las medidas propuestas para mejorar la eficiencia energética de la producción industrial de frío son las siguientes:

- Adecuación de la demanda de frío.

- Recuperación de calor.

- Aislamiento en cámaras frigoríficas.

- Sistemas para minimizar las fugas de frío en cámaras frigoríficas.

5.5.1. ADECUACIÓN DE LA DEMANDA DE FRÍO.

La producción frigorífica es variable. Ésta tiene que garantizar la demanda de los productos que se procesan.

Para poder adecuar la demanda se puede optar por variar la velocidad del motor eléctrico. Con esta opción se reduce el número de revoluciones del compresor. Con ello se reduce el volumen desplazado y se reduce la potencia frigorífica. El consumo del motor eléctrico se reduce linealmente con la reducción de la capacidad. La solución es instalar un variador de velocidad en el motor eléctrico.

Se puede optar por fraccionar la potencia. Para ello se utilizan varios compresores trabajando de manera coordinada.

5.5.2. RECUPERACIÓN DE CALOR.

La recuperación del calor es otra medida de mejora e la eficiencia energética. El calor disipado en el condensador puede ser recuperado para otras utilidades.



En ciclos de absorción se puede utilizar un intercambiador de calor entre el generador y el absorbedor para precalentar la mezcla refrigerante-absorbente que va al generador y enfriar al absorbente que va al absorbedor.

Figura 5.30.-Intercambiador de calor.

5.5.3. AISLAMIENTO EN CÁMARAS FRIGORÍFICAS.

El aislamiento es un factor determinante en el proyecto y construcción de una cámara frigorífica. La mayoría de las ocasiones produce ganancias de calor y hay dificultades de modificarlo una vez construido.

Las ganancias de calor dependen de la geometría y de la disposición de los bloques de las cámaras. El parámetro que se tiene en cuenta es la superficie exterior por metro cúbico interior.

Figura 5.31.-Detalle de aislamiento de cámaras frigoríficas.



5.5.4. SISTEMAS PARA MINIMIZAR LAS FUGAS DE FRÍO EN CÁMARAS FRIGORÍFICAS.

Hay diversas técnicas para evitar fugas considerables de frío en las cámaras frigoríficas.

- Sistema de cerrado por célula fotoeléctrica. Una vez abierta La puerta y pasados unos segundos, si la célula no detecta presencia, la puerta se cierra.

- Sistema de cerrado temporizado. Deja pasar un periodo determinado una vez abierta la puerta y se cierra pasado el tiempo.

- Sistemas de aviso. Se ponen en marcha cuando transcurre el tiempo máximo de apertura de la puerta (sirenas, etc).

- Otros (cortinas de aire, lamas de plástico, etc).

5.6. MEDIDAS DE CARÁCTER HORIZONTAL (TECNOLOGÍAS TÉRMICAS)

Son dos las medidas de carácter horizontal para mejorar la eficiencia energética en las instalaciones industriales que utilizan tecnologías térmicas.

- Sustitución y diversificación de combustibles.

- Sustitución de quemadores.

5.6.1. SUSTITUCIÓN Y DIVERSIFICACIÓN DE COMBUSTIBLES.

Son dos las medidas de carácter horizontal para mejorar la eficiencia energética en las instalaciones industriales que utilizan tecnologías térmicas.

La idea principal es la sustitución de combustibles sólidos y líquidos (carbón, gasóleo) hacia los gaseosos (gas natural, propano y butano).

La ventaja de los combustibles gaseosos es que tienen una alta relación H/C, con lo que hay una menor emisión de CO2. Hay un menor coste por unidad energética con estos combustibles (€·kw·h-1). Por último hay un mejor rendimiento de equipos.

5.6.2. SUSTITUCIÓN DE QUEMADORES.

Los quemadores son los dispositivos donde se lleva a cabo la mezcla del combustible y el comburente. Las partes más importantes son las tomas de combustible y comburente y el sistema de encendido (bujía).

Dentro de los quemadores se distinguen varios tipos: convencionales, autorrecuperadores, regenerativos, de doble recuperación y de combustión sumergida.

Se consigue un ahorro considerable con quemadores de alta velocidad. En este caso se inyectan gases de combustión a una elevada velocidad de salida (130 m/s). Los ahorros conseguidos son del orden del 10-15%.



Figura 5.32.-Diferencia entre un quemador convencional y un quemador de alta velocidad.

El uso de quemadores autorrecuperadores también consigue un ahorro considerable. Se trata de un quemador rodeado de un recuperador gas-gas de tal manera que el aire de combustión se precalienta.

Figura 5.33.-Quemador autorrecuperador.

5.7. CALDERAS.

Las calderas también están presentes en muchas industrias.

Se trata de intercambiadores de calor en los que la energía se aporta generalmente por un proceso de combustión, o también por el contenido de un gas que circula a través de ella. En ambos casos el calor aportado se transmite a un fluido que se vaporiza o no. Este fluido se transporta a un consumidor en el que se cede la energía.

Las partes de una caldera son:

- Quemador: sirve para quemar combustible.

- Hogar: alberga el quemador en su interior y en él se realiza la combustión y la generación de los gases calientes.

- Tubos de intercambio de calor. El flujo de calor desde los gases hasta el agua tiene lugar a través de su superficie.



- Separador líquido-vapor. Su función consiste en separar las gotas de agua líquida en suspensión en la corriente de vapor.

- Economizador. Equipo de intercambio de calor para calentar el agua líquida con los gases aún calientes, antes de alimentar a la caldera.

- Chimenea. Vía de escape de los humos y gases de combustión después de haber cedido calor al fluido.

- Carcasa. Contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de calor.

Medidas para mejorar la eficiencia energética en calderas:

- Recuperación del calor sensible de los humos de la caldera.

- Ajuste y control de la combustión.

- Sustitución de calderas antiguas por calderas de alto rendimiento.

5.7.1. RECUPERACIÓN DEL CALOR SENSIBLE DE LOS HUMOS DE LA CALDERA.

Los productos de combustión de una caldera contienen energía. Se trataría de aprovechar esta energía para aumentar la eficiencia energética.

El calor residual empleado tendría varios usos:

- Precalentamiento de la carga.

- Producción de vapor o aire caliente.

- Calentamiento del combustible.

- Precalentamiento del aire de combustión.

Para llevar a cabo el aprovechamiento del calor sensible de los humos de caldera se dispone de varios equipos: economizadores, recuperadores, regeneradores y calderas e recuperación.

5.7.2. AJUSTE Y CONTROL DE LA COMBUSTIÓN.

La idea de esta medida es optimizar el exceso de aire que se introduce en el equipo. Ello hace disminuir el caudal de humos que se produce en la caldera, por tanto disminuye el porcentaje de inquemados.

Los excesos de aire son variados según el tipo de calderas.

Las calderas de combustibles sólidos oscilan entre el 80 y el 100%.

Las calderas de fuel oil entre el 30 y el 40%.

En el caso de las calderas de gas natural la cifra oscila entre el 15 y el 20%.

5.7.3. SUSTITUCIÓN DE CALDERAS ANTIGUAS POR CALDERAS DE ALTO RENDIMIENTO.

Este tipo de calderas aprovechan el calor latente contenido en los humos por condensación de los mismos. Consiguen un ahorro energético del 10 al 20% respecto a una caldera convencional.

Actuaciones para asegurar un correcto funcionamiento:

- Verificación y mantenimiento periódico.



- Mejora de la distribución de fluidos.

- Racionalización de las cargas.

5.8. HORNOS.

Se trata de instalaciones donde se transforma la energía química de un combustible en calor que se utiliza para aumentar la temperatura de los materiales necesarios de un proceso productivo.

Las partes fundamentales de un horno son:

- Hogar o cámara de combustión. Lugar donde se alojan los quemadores y se generan los gases de combustión. Puede coincidir con la cámara de calentamiento o ser una cámara independiente.

- Cámara de calentamiento. Existen distintos tipos dependiendo de la forma de operación del horno y su función.

- Revestimiento aislante. Recubre todas las cámaras y equipos del horno.

- Chimenea y tubos de escape de gases de combustión. Suelen ir acopmados a intercambiadores para aprovechamiento de la energía calorífica que poseen percibo a la emisión a la atmósfera.

Existen muy variadas aplicaciones en diferentes industrias (siderúrgica, del alumnio, magnesio y sus aleaciones, del cobre y sus aleaciones, automoción, fundición (de metales férricos como no férricos), productos manufacturados, química, auxiliar (rodamientos bujías, etc), cerámica y vidrio.

Dependiendo de la función y su modo de funcionamiento hay varios tipos de hornos.

Según su función:

- Fusión.

- Recalentamiento.

- Tratamiento térmico.

Según el modo de funcionamiento:

- Contínuos de túnel.

- Contínuos de rodillo y de cinta.

- Intermitentes o discontínuos.

Las medidas para mejorar la eficiencia energética son:

- Sustitución de hornos.

- Aislamiento.

- Régimen de funcionamiento.

- Regulación de temperatura.

- Recuperación de calor residual.

5.8.1. SUSTITUCIÓN DE HORNOS.

El cambio de un horno debe ser analizado minuciosamente puesto que es una parte principal del proceso productivo.



La sustitución de un horno no siempre es posible. Es mejor considerar la posibilidad de renovación de equipos para la mejora de la eficiencia energética.

La sustitución más genérica es la de hornos intermitentes eléctricos por hornos intermitentes de gas natural. La energía eléctrica para fines térmicos es más cara.

5.8.2. AISLAMIENTO.

Los defectos de aislamiento son un importante foco de pérdidas.

Las pérdidas pueden ser por conducción y por convección.

Figura 5.34.-Expresiones del calor por conducción y convección.

5.8.3. RÉGIMEN DE FUNCIONAMIENTO.

El modote carga y descarga y los tiempos entre tratamientos sucesivos influyen en la pérdida de calor a través de puertas y aberturas. Puede existir posibilidad de cambio si el proceso productivo lo permite.

5.8.4. REGULACIÓN DE TEMPERATURA.

Un buen sistema de regulación de la temperatura puede conseguir un consumo energético ajustado.

Se emplearían con este fin aplicaciones electrónicas del control de temperatura.

5.8.5. RECUPERACIÓN DE CALOR RESIDUAL.

La medida específica consiste en acoplar un recuperador de calor residual de los gases de combustión para precalentar el aire de entrada a los quemadores.

La inversión consiste en una conducción calorifugada desde la zona de enfriamiento a la soplante del aire de combustión.

La rentabilidad es elevada y tiene un período de retorno entre 1 y 2 años.



Figura 5.35.-Esquema de un recuperador de calor residual.

5.9. SECADEROS.

El fin de la desecación es la eliminación total o parcial de los líquidos que impregnan un producto.

Los secaderos son equipos que reducen o eliminan el agua de un producto utilizando energía calorífica.

Los tipos de desecación pueden ser variados:

- natural.

- mecánica: prensado, centrifugado, aspiración o filtración.

- térmica: con aire o gases.

- térmica sin aire: evaporación en vacío o calentamiento dieléctrico.

Partes básicas de un secadero:

- Hogar: en él se generan los gases calientes para generar el secado. Si el secadero es eléctrico esta parte no existe.

- Cámara de secado: es el secadero propiamente dicho.

- Ventiladores: impulsan el aire caliente a través del secadero.

Las variables para clasificar y analizar los secaderos son las siguientes:

- Tipo de propagación del calor: (convección, conducción, radiación).

- Presión utilizada: (normal, vacío y sobrepresión).

- Movimiento de la carga: (fijo, pro gravedad, parrilla móvil, etc).

- Sentido de la corriente de secado: (contracorriente, en paralelo, etc).

- Dispositivos especiales: (bandejas, cintas, cilindros, tambores, etc).

Ya que el funcionamiento es similar al de los hornos, hay medidas similares a las de aquéllos:

- Sustitución.

- Aislamiento.



- Régimen de funcionamiento.

- Regulación de temperatura.

Como medidas específicas se tienen dos:

- Recirculación del aire.

- Utilización de aire caliente proveniente de otros equipos.

5.9.1. RECIRCULACIÓN DEL AIRE.

Se trataría de la recirculación de una fracción del aire de salida mezclado con el aire de entrada previamente calentado.

Las ventajas principales de esta medida es que necesitan costes de inversiones menores y no necesitan intercambiadores de calor.

Por otro lado, la cuantía de los ahorros dependen del secadero y el material secado.

Figura 5.36.-Esquema de un sistema de recirculación del aire en un secadero.

5.9.2. UTILIZACIÓN DE AIRE CALIENTE PROVENIENTE DE OTROS EQUIPOS.

Esta medida consiste en sustituir las entradas de aire primario de combustión y de recirculación que se dan en la cámara de combustión.

A la hora de plantear estas medidas se han de tener en cuenta las siguientes cuestiones:

- ¿Pueden contener los calores residuales contaminantes que puedan dañar las piezas cerámicas o algún componente del secadero?

- ¿Está siempre disponible la fuente generadora del calor residual cuando lo requiere el secadero?

- ¿Los ahorros obtenidos justifican la inversión a realizar?

5.10. AUDITORÍAS ENERGÉTICAS EN INDUSTRIAS.

En este apartado se muestran dos ejemplos de auditoría energética en industrias. En concreto son los ejemplos de una empresa lechera y otra de producción de textiles. En el material de la plataforma se muestra algún ejemplo más.



RESUMEN.

� En el ámbito del sector industrial se puede abordar la eficiencia energética desde dos puntos de vista. Por un lado la eficiencia energética dentro de las tecnologías eléctricas y por otro lado la eficiencia energética en las tecnologías de generación y utilización de calor.

� En cuanto a las tecnologías eléctricas destaca la optimización de la factura eléctrica, iluminación, los motores, sistemas de aire comprimido, bombas y ventiladores y producción industrial de frío.

� Respecto a las mejoras de eficiencia energética en industrias en tecnologías de generación y utilización de calor son medidas de carácter horizontal, calderas, hornos de gas y secaderos.

� Se muestran dos ejemplos de auditorías energéticas en industrias.

1.3.2-ut5 (manual de teoría)

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