APLICACIÓN DE LA TECNICA DE PUNTO DE PLIEGUE EN UN HOSPITAL

APLICACIÓN DE LA TECNICA DE PUNTO DE PLIEGUE EN UN HOSPITAL

A. Herrera, J. Islas, A. Arriola

CIE - UNAM

Los hospitales, como trabajan 24 al día los 365 días del año, son grandes consumidores de energía [S. Jakélius, 1996]. Ellos consumen hasta el 75% de combustibles para su transformación en energía térmica [A. Herrera, 2001]. En consecuencia es importante estudiar y determinar los potenciales de uso eficiente y ahorro de energía del sistema termodinámico de ellos.

El Hospital General de Zona N°1 (HGZ N°1) del IMSS en Aguascalientes esta ubicado en un conjunto, donde se localizan varias unidades del IMSS. Tanto las instalaciones eléctricas como las de suministro de vapor y agua caliente distribuyen los energéticos a todo el conjunto. Aunque el hospital es el principal consumidor de energéticos, sin embargo no se puede delimitar sus consumos, por lo cual en este trabajo hablamos del conjunto IMSS.

El consumo de diesel del conjunto del IMSS representa un 75% de los consumos energéticos. Debido a la importancia de este combustible en el presente trabajo calcularemos el potencial teórico de ahorro y uso eficiente en el balance térmico del conjunto del IMSS a través de una técnica termodinámica que se denomina técnica pinch de punto de pliegue.

Dos resultados adicionales que se obtendrán con la aplicación de esta técnica son:

• La cantidad teórica óptima de energía térmica requerida por el sistema del conjunto del IMSS.

• La carga térmica teórica que es posible recuperar en el conjunto en lugar de desaprovecharla como en el caso presente.

La técnica de punto de pliegue, nos permite en efecto “identificar la recuperación óptima de energía térmica y el arreglo de intercambiadores que logre esta recuperación. Adicionalmente, la técnica no solo optimiza la red de recuperación de calor, sino que al hacerlo permite al usuario determinar los requerimientos externos mínimos de calentamiento y enfriamiento que son necesarios para completar las necesidades demandadas por el proceso” [R. Best, 1998, p.5.1]. “La técnica pinch (de punto de pliegue) se ha desarrollado en el área del ahorro de energía y presenta pasos sencillos y fáciles basados en principios termodinámicos” [M. Ebrahim, 2000, p.45]. Finalmente, “la técnica pinch (o de punto de pliegue), [ ... ], parece una metodología consistente para el ahorro de energía, basada en el balance de materia y energía de utilidad para todos los sistemas” [Linnhoff March, 2000, p.2].

1. APLICACIÓN DE LA TECNICA PINCH EN EL CONJUNTO DEL IMSS.

Iniciamos presentando los datos del balance térmico del conjunto del IMSS y su análisis según el método pinch.

1.1 Diagrama y balance térmico del conjunto del IMSS.

En la figura 1 se presenta el diagrama térmico del conjunto del IMSS con los datos necesarios para la aplicación de la tecnología de punto de pliegue.

En la Tabla 1 presentamos el cálculo del flujo másico por de cada corriente del conjunto del IMSS mientras que en la tabla 2 se presentan los cálculos térmicos realizados.

1.2 Corrientes del sistema térmico del conjunto del IMSS.

Actualmente, en el conjunto del IMSS no hay procesos de recuperación de calor. Todos los requerimientos se cubren con el vapor. En la figura 2 se presenta la lista de las corrientes actuales del conjunto del IMSS. En ella se encuentran registrado los valores de temperaturas, carga térmica H y la capacidad calorífica del fluido CP de cada una de las corrientes.

Para realizar la técnica de punto de pliegue e incluir corrientes calientes, utilizamos las dos que nos parecen más obvias: la corriente de calor desechado al drenaje en las aguas jabonosas de lavandería y la corriente caliente de los condensados de vapor no recuperados. En la figura 3 se presentan integradas las corrientes calientes y frías por analizar en el estudio de caso.

En las gráficas 1 Y 2 se presentan las curvas compuestas fría y calientes resultantes de los datos de la figura 3.

Al mostrar en una gráfica los servicios requeridos contra la TMIN, encontramos que tenemos un caso de umbral para el cual encontramos un rango de 0 – 22 0C.

Para determinar la TMIN, para el análisis del sistema térmico, que nos ocupa, no contamos con los datos de diseño y no hay intercambiadores de recuperación, puesto que todas las necesidades se cubren con servicios de calentamiento con vapor . Por no contar con los datos anteriores resolvemos este problema utilizando tres recursos. El primer recurso que utilizamos es tomar los resultados de la gráfica 3. Un segundo recurso es tomar la información de Linnhoff March (2000, p.7) que define la TMIN, para procesos de vapor en intercambiadores con buen coeficiente de transferencia de calor propone un rango de 10 a 200C. Por ultimo un tercero, aplicando en forma iterativa diferentes rango en la técnica y asumir la TMIN, con la se obtengan los mejores resultados. Seguimos este último recurso y para localizar el punto de pliegue por el método analítico, solamente se pudo lograr con una TMIN, de 220C. Tomamos este valor para nuestra aplicación, el cual está dentro del límite determinado (véase gráfica 3), por ser caso especial y no se aleja del rango propuesto por el autor.

La tabla 3 es la tabla del problema y la tabla 4 es la tabla del problema con las temperaturas corregidas.

2. EVALUACIÓN DE LA INFORMACIÓN DEL BALANCE TERMODINÁMICO DEL CONJUNTO DEL IMSS.

En esta sección evaluamos los datos termodimámicos del conjunto del IMSS. Iniciamos con la obtención de los equipos intercambiadores de calor mínimos. Posteriormente, aplicamos la metodología que ha sido señalada para obtener el punto de pliegue. Por último, construimos el diagrama de diseño de intercambiadores de calor para el sistema termodinámico del conjunto del IMSS.

2.1 Equipos Intercambiadores de calor necesarios en el conjunto del IMSS.

En la figura 4 se presenta la malla para determinar la mínima cantidad de intercambiadores de calor intercambiadores de calor.

Como podemos ver en la figura 4, se requieren 11 equipos intercambiadores de calor y 388.64 kW en servicios de calentamiento.

2.2 El punto de pliegue para el sistema térmico del conjunto del IMSS.

Para determinar el punto de Pinch por el método gráfico utilizamos las curvas compuestas de las gráficas 1 y 2 Haciendo los arreglos y movimientos corrrespondientes, obtenemos el punto Pinch, como se muestra en la gráfica 4.

Para determinar el punto Pinch por el método analítico nos auxiliamos de la gráfica 5 y de la tabla 5 En la gráfica representamos los rangos de temperatura de cada corriente (utilizando los datos de las temperaturas corregidas) y definimos los intervalos para nuestros balances. En la tabla se encuentran los datos de los balances de cada intervalo y la sumatoria de la carga térmica H, como se indicó en la explicación de este punto.

Como se observa en la tabla 5, la H en todos los rangos es diferente de cero. En el rango de 43 a 400C se encuentra el valor más negativo de la columna de la H por rango de temperatura. Este valor, en forma positiva, inicia la cascada de la H de la ultima columna de la tabla 5. Finalmente, podemos ver que el punto superior del rango de temperaturas del pliegue se encuentra en 400C. Este dato ratifica los resultados, arriba encontrado, con el método gráfico.

2.3 Esquema de intercambiadores de calor para el conjunto del IMSS.

El arreglo resultante de intercambiadores para el conjunto del IMSS se encuentra en la figuras 5.

Hasta aquí, hemos encontrado en número de equipos intercambiadores de calor, el punto de pliegue y el diagrama de diseño del sistema térmico del conjunto del IMSS.

3. RESULTADOS DE LA APLICACIÓN DEL MÉTODO PINCH EN EL CONJUNTO DEL IMSS.

Finalmente, obtenemos la gran curva compuesta. Se comparan los resultados de la gran curva compuesta con los servicios que se suministran actualmente en el conjunto del IMSS, para determinar el potencial de uso eficiente y ahorro de energía.

3.1 La gran curva compuesta.

Con los datos de la primera columna y de la última columna de la tabla 5 obtenemos la gran curva compuesta resultante que aparece en la gráfica 6.

Como podemos observar en la gráfica 6 la H, que teóricamente se requiere en el sistema térmico del conjunto del IMSS es de 388.64 kW, lo cual equivale a un requerimiento de energía anual de 12.26 TJ.

3.2 El potencial de uso eficiente y ahorro de energía en el conjunto del IMSS.

En la gráfica 7 están integradas la gran curva compuesta y la curva de los servicios actuales del conjunto del IMSS. Podemos observar que al integrar las dos curvas mencionadas, en una sola gráfica, resalta un potencial teórico de ahorro de caga térmica en el conjunto del IMSS equivalente a un 38%. Lo cual significa un ahorro de combustible de 246 mil litros de diesel y ahorros económicos cercanos a un millón de pesos. Aplicamos el porcentaje a los datos obtenidos para el año 1999

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