CALCULOS TRIGENERACION

INSTALACIN DE TRIGENERACIN PARA UN HOSPITAL CON PRODUCCIN DE ELECTRICIDAD, CALOR Y FROAutor: Criado Cmara, Enrique Director: Gil Dez, Jess Entidad Colaboradora: Urbaser

RESUMEN DEL PROYECTOEste proyecto parte de la creciente preocupacin por el medio ambiente y por el uso responsable de la energa primaria con tecnologas de alta eficiencia. En este contexto el proyecto parte del estudio de las necesidades energticas de un hospital, continua con la determinacin de la conveniencia o no de la instalacin de una trigeneracin para el hospital (produccin simultnea de electricidad, calor y fro), sigue con el diseo de la planta y termina con un estudio de la viabilidad del proyecto segn el rgimen de explotacin de la instalacin de trigeneracin. El objetivo explcito de este proyecto es disear una planta de trigeneracin para un hospital de 750 camas en Guadalajara y cumplir con las especificaciones del Real Decreto RD 661. El hospital en cuestin consume electricidad proveniente de la red de distribucin para el alumbrado, equipos de quirfano (equipos de fuerza), ascensores y aire acondicionado en verano y quema gas natural que recibe de una canalizacin a 4bar en calderas para producir agua caliente sanitaria y calefaccin. La demanda media de potencia elctrica es 1613 kWe con puntas de consumo de hasta 2600 kWe y la demanda media de potencia trmica es de 1884 kW (para calefaccin y acs) con puntas de hasta 3,9 MW. Para el estudio de la instalacin se han tenido que separar las demandas de electricidad para los compresores mecnicos del aire acondicionado en verano de los consumos de electricidad para alumbrado y fuerza. El hospital cubre sus necesidades de aire acondicionado con unos compresores con COP2,65 por lo que con el dato de demanda elctrica multiplicndolo por el COP se obtiene una previsin de la demanda efectiva necesaria para climatizacin en verano. En este proyecto las demandas de agua fra se pretendan cubrir con mquinas de absorcin que consumen agua caliente por lo que con el dato de la potencia efectiva necesaria de agua fra y con el rendimiento o COP de las mquinas se obtuvieron estimaciones de la potencia trmica necesaria para alimentar a las mquinas de absorcin. Con la estimacin de la potencia trmica efectiva anual

necesaria para calefaccin, a.c.s y las mquinas de absorcin se concluy que el hospital era un candidato bueno para la instalacin de la trigeneracin. El hospital cuenta con 3 calderas de gas natural de 1500 kW cada una, 3 compresores mecnicos de 900 kW cada uno y una red de tuberas y elementos auxiliares en la instalacin de agua que se han podido aprovechar para el diseo de la instalacin. En el diseo hemos optado por instalar 3 motores de gas natural con generadores elctricos sncronos tipo Leroy Somer de 1019 kWe cada uno (Ptot= 3057 kWe) con sistemas de recuperacin de calor en los gases de escape de los mismos y en el agua de refrigeracin de los motores recuperando un total de 1156 kW trmicos por cada motor en condiciones de rendimiento pleno. Adems, para la refrigeracin se ha optado por 3 mquinas de absorcin de doble efecto de 746 kW efectivos determinadas en gran medida por las exigencias de REE del RD 661. La potencia trmica se recupera por lo tanto a dos niveles trmicos en cada motor, en baja temperatura, unos 92 C en los circuitos de refrigeracin de los motores y a alta temperatura, unos 110 C, en las salidas de los gases de escape. La potencia trmica de los circuitos de baja se impulsa en paralelo mediante bomba a un circuito principal de agua caliente donde intercambia su calor y se emplea para la produccin de a.c.s y para los circuitos de calefaccin mientras que los circuitos de alta temperatura envan su agua caliente a las mquinas de absorcin si se est en verano o al circuito principal de agua caliente donde, tambin mediante intercambiador, se entrega la potencia para a.c.s y calefaccin. Para el control de la potencia a producir en cada momento en los motogeneradores y para el control del reparto de potencia trmica se ha optado por un sistema de vlvulas electrocomandadas controladas por ordenador central que recibe la informacin de las salas a climatizar y de los puntos de consumo de agua caliente y enva seales de apertura o cierra a las vlvulas de los circuitos de recuperacin de calor y a las vlvulas de gas natural de los motores. Se ha optado por un modo de explotacin de la instalacin en el que se vende toda la produccin de electricidad a la red percibiendo unas primas por ello y comprando toda la energa elctrica a la red a un precio ms bajo con un contrato de larga utilizacin. Por lo tanto la instalacin slo autoconsume su potencia trmica generada y cuando falta potencia trmica de los motores se ponen en funcionamiento las calderas auxiliares ya existentes. Es de resaltar que el hospital puede funcionar en isla autoconsumiendo su produccin elctrica si la red no puede alimentar al hospital por algn motivo

consiguiendo por lo tanto garantizar la cobertura de la demanda elctrica en gran medida siempre. El rendimiento global de la instalacin que se obtiene es del 68% que es bajo para este tipo de instalaciones pero an as mucho mejor que el del hospital sin la instalacin. El hospital operar bajo el rgimen especial definido en el Real Decreto 661 del 25 de Mayo de 2007 en el que se establecen todos los requisitos para poder operar en rgimen especial y los modos de retribucin de la energa elctrica vendida a red. El modo de venta de la energa a red que se ha elegido ha sido el de vender en el pool elctrico con una serie de primas adicionales por eficiencia y energa reactiva. Para estimar los ingresos por venta de energa elctrica a red se han tomado los datos de los precios de venta en el pool de aos anteriores y se ha elaborado un plan de produccin de energa elctrica de la planta de trigeneracin. El plan de produccin que se ha elaborado ha tenido que cumplir en todo momento las especificaciones mnimas de rendimiento elctrico equivalente aplicables a este tipo de instalacin que resulta del 55%. Con ello se han estimado los ingresos anuales por venta de energa a red en 1,99 millones de euros. Una vez estimados los ingresos por venta de energa se han estimado los costes asociados a la implantacin de la instalacin que incluyen la adquisicin de los motogeneradores, mquinas de absorcin, obra civil, instalaciones hidrulica y elctrica y costes anuales de gas natural y mantenimiento. Con estos datos se ha elaborado un pequeo modelo para calcular el coste total de la instalacin y los flujos de caja obteniendo finalmente el valor actual neto del proyecto y el TIR que resulta del 11%. Los ahorros anuales en costes energticos que se obtienen con la implantacin de la trigeneracin son de 550.000 euros por lo que es evidentemente una solucin adecuada al objetivo inicialmente planteado en este proyecto. La inversin inicial del proyecto se estima en unos 3,4 millones de euros recuperndose la inversin en unos 5 aos y medio.

COMBINED HOSPITAL

ELECTRICITY,

HEAT

AND

REFRIGERATION

PRODUCTION WITH TRIGENERATION TECHNOLOGY FOR AAuthor: Criado Cmara, Enrique. Director: Gil Dez, Jess. Collaborating Entity: Urbaser

SUMMARYThe motivation behind this project is the growing need to use primary energy responsibly through the development and implementation of high efficiency technologies. In this context, the project begins with the identification of the hospitals energy uses and requirements, determines the applicability of trigeneration to the hospital, continues with the design of the trigeneration plant and finalizes with an economic viability study of each possible exploitation method. The explicit objective of this project is to design a trigeneration plant for a 750 bed hospital in Guadalajara, Spain, while abiding the new specifications set forth in the new RD 661 (Spanish special regimen energy producers law). The hospital in its present state consumes electricity that it buys from the distribution power grid to illuminate the hospital, to power its elevators, for operating room apparatus and for air conditioning in the summer. The hospital also burns natural gas that it obtains from a 4 bar distribution system in boilers to produce hot water for its heating necessities and for sanitary purposes. The mean electrical power demand is 1613 kWe with peaks of up to 2600 kWe and the mean thermal power demand is 1884 kW with peaks of up to 3,9 MW. To determine the energy needs precisely it was imperative to separate the electrical demands for lighting and power from the electrical consumptions for air conditioning in the summer. The hospital at the present cools its air with mechanical compressors with COP2,65 so by multiplying the electrical demands of the compressors by the COP we obtain an estimate of the final power demands for air conditioning. With the final cold water power demand estimated and the absorption chillers COP we were able to estimate the hot water power supply for the absorption chillers that were intended to substitute the compressors. With the total hot water requirements estimated along with the electrical necessities, the hospital was deemed a suitable candidate for trigeneration installation.

The hospital already has 3 1500 kW natural gas boilers, 3 900 kW mechanical compressors and a water distribution network installed along with auxiliary elements that have been utilized in the new trigeneration plant. For the plant the ideal design that was finally decided includes 3 natural gas motors that run 3 1019 kWe synchronous electrical generators (one per motor) yielding 3057 kWe total. The excess heat from the motors is recovered with two independent systems, one recovers heat from the piston refrigeration system and the other recovers heat from the exhaust gases at roughly 515 C. The total recoverable heat from each motor is 1156 kW. The refrigeration systems for air conditioning in the summer are comprised of 3 746 kW double stage absorption chillers. Therefore heat is recovered from each motor at two thermal levels, one high temperature circuit and one lower temperature circuit. The higher temperature circuit recovers heat from the exhaust gases and produces hot water at about 110 C which is then sent to the absorption chillers in the summer to produce chilled water at about 7 C. When the chillers are not functioning the hot water produced in this circuit is sent to an interchanger located in the main hot water circuit that sends hot water to the air heating systems and to the hot hot water tanks for sanitary purposes. The lower temperature circuit sends its hot water permanently to another interchanger in the main circuit that also sends this water to the air heating circuits and to the hot water tanks. In order to control the electrical power produced in real time in the generators and to distribute the hot water production amongst the different circuits a control system utilizing electrovalves has been implemented in the design of the plant. A main computer receives information regarding room temperature and air flow rate requirements from the hospital rooms and sends signals to the eletrovalves to regulate natural gas flow to the motors and to distribute water flow amongst the circuits. The trigeneration plants electrical production is going to be entirely sold to the power grid under regulated prices (RD 661) and the hospital is going to buy all its electricity from the grid at another lower price set in long term contracts with the power company. Therefore the hospital only consumes the plants thermal power production in the form of hot water and chilled water while it buys all its electricity from the grid. If the heat recovered form the motors is not enough to cover demand the already existing 1500 kW boilers will come in to action in parallel supplying the rest of the power needed to meet total demand. The plant is designed to cover most of the hospitals electrical demands if the grid fails therefore guaranteeing a high degree of self sustainability. The

global efficiency for the plant is roughly 68% which is low for these types of plants but still much higher than the original efficiency of the hospital. The economic regime that the trigeneration plant is going to use to sell its power to the grid is regulated by the RD 661 and involves selling the power production on the daily electrical market (Pool) obtaining the established market price plus an extra premium for its electricity production. To estimate annual revenues from electricity sales a production plan has been established and historic market prices have been obtained for the Spanish market. The production plan for the trigeneration plant had to comply with minimum efficiency requirements set in the RD 661 (REE min55%) and accordingly the estimated yearly revenues from electricity sales are 1,99 million euros. Lastly the total initial investment was calculated, which included motors, generators, absorption chillers, electrical and hydraulic installations, construction and annual natural gas and maintenance costs. With this information a small model was elaborated with yearly cash flows to arrive at a final IRR and NPV. The estimated IRR is 11%. Annual savings on energy costs are estimated at about 550 thousand euros which is a considerable amount for a small hospital therefore substantially meeting the original objective for this project. The total initial investment is about 3.4 million euros and the recovering time of the investment is about 5.5 years.

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INDICE GENERAL1. INTRODUCCIN...................................................................................................................... 3 1.1 OBJETIVO DEL PROYECTO .............................................................................................. 3 1.2 CONCEPTOS GENERALES ................................................................................................ 4 1.2.1 La cogeneracin............................................................................................................. 41.2.1.1 Ventajas de la cogeneracin................................................................................................... 6 1.2.1.2 Perfiles habituales de los usuarios de la cogeneracin........................................................... 7 1.2.1.3 Tecnologas principales de las cogeneraciones...................................................................... 7 1.2.1.3.1 La turbina de gas ........................................................................................................... 7 1.2.1.3.2 La turbina de vapor........................................................................................................ 8 1.2.1.3.3 El motor de combustin interna alternativo................................................................... 9 1.2.1.3.3.1 Ciclo Diesel......................................................................................................... 10 1.2.1.3.3.2 Ciclo Otto............................................................................................................ 10 1.2.1.4 Determinacin de la fuente de energa mecnica................................................................. 11 1.2.1.5 Aspectos legales y normativas aplicables a las cogeneraciones........................................... 11 1.2.1.5.1 Clasificacin................................................................................................................ 11 1.2.1.5.2 Determinacin de caractersticas de la instalacin....................................................... 13 1.2.1.5.3 Derechos y obligaciones de las instalaciones .............................................................. 14 1.2.1.5.4 Rgimen econmico .................................................................................................... 14

1.2.2 Refrigeracin por absorcin ........................................................................................ 151.2.2.1 Principio bsico ................................................................................................................... 16 1.2.2.2 Proceso ................................................................................................................................ 16 1.2.2.2.1 Mquinas de doble efecto ............................................................................................ 18 1.2.2.3 Ventajas de los equipos de refrigeracin por absorcin....................................................... 20 1.2.2.4 El agua como refrigerante.................................................................................................... 20 1.2.2.5 Consideraciones de operacin y mantenimiento.................................................................. 21 1.2.2.6 Problemas de la absorcin. La cristalizacin ....................................................................... 21 1.2.2.6.1 Dispositivos anti-cristalizacin.................................................................................... 23

2. DATOS DEL HOSPITAL........................................................................................................ 24 2.1 INFORMACIN GENERAL DEL HOSPITAL.................................................................. 24 2.1.1 Datos de partida........................................................................................................... 252.1.1.1 Datos de demanda elctrica ................................................................................................. 26 2.1.1.2 Datos de demanda trmica ................................................................................................... 29 2.1.1.3 Tablas de demanda horaria .................................................................................................. 30

3. DESCRIPCIN DE LA INSTALACIN .............................................................................. 43 3.1 DETERMINACIN DE LA FUENTE DE ENERGA PRIMARIA.................................... 43 3.1.1 Comparacin turbinas- motores de gas ....................................................................... 43 3.1.2 Caractersticas generales de los motores de gas ......................................................... 44 3.1.3 Sistemas de recuperacin de calor............................................................................... 45 3.2 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO ............................................................................... 45 3.2.1 Ciclo de la planta de trigeneracin con motor de gas natural .................................... 453.2.1.1 Esquema de funcionamiento de la planta............................................................................. 47 3.2.1.2 Caldera de recuperacin de los gases de escape .................................................................. 47

3.2.2 Sistemas de control de la planta de trigeneracin ....................................................... 483.2.2.1 Variables de control............................................................................................................. 48 3.2.2.1.1 Velocidad de los motores ............................................................................................ 49 3.2.2.1.2 Temperatura del agua .................................................................................................. 49 3.2.2.2 Modo de funcionamiento elctrico ...................................................................................... 50

3.2.3 Prevencin y seguridad................................................................................................ 513.2.3.1 Mantenimiento..................................................................................................................... 51 3.2.3.1.1 Circuito de agua........................................................................................................... 52 3.2.3.1.2 Mquinas de absorcin ................................................................................................ 52

3.3 ELEMENTOS DE LA INSTALACIN .............................................................................. 52 3.3.1 Mdulos de cogeneracin ............................................................................................ 523.3.1.1 Sistema de refrigeracin del motor ...................................................................................... 53INSTALACIN DE TRIGENERACIN PARA UN HOSPITAL CON PRODUCCIN DE ELECTRICIDAD, CALOR Y FRO

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3.3.1.2 Generador sncrono.............................................................................................................. 53

3.3.2 Caldera de recuperacin de los gases de escape......................................................... 53 3.3.3 Mquinas de absorcin ................................................................................................ 54 3.3.4 Intercambiadores de calor ........................................................................................... 55 3.3.5 Acumuladores de A.C.S................................................................................................ 56 3.3.6 Bombas hidrulicas...................................................................................................... 56 3.3.7 Aeroenfriadores ........................................................................................................... 57 3.3.8 Centro de cogeneracin ............................................................................................... 583.3.8.1 Dispositivos y protecciones de la instalacin....................................................................... 59 3.3.8.1.1 Distribucin ................................................................................................................. 60

3.4 OBRA CIVIL ....................................................................................................................... 613.4. Descripcin de los espacios ...................................................................................................... 61

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1. INTRODUCCIN En el escenario energtico actual la mayor preocupacin que existe es la mejora de la eficiencia de las tecnologas energticas existentes. La creciente demanda energtica mundial junto con la concienciacin paulatina de que el consumo de combustibles fsiles debe moderarse ha llevado a una constante bsqueda de soluciones para disminuir el consumo de los mismos as como a potenciar las tecnologas basadas en energas renovables. Adems de esto la creciente preocupacin por el medio ambiente ha impulsado ms todava las investigaciones energticas para intentar reducir las emisiones de CO2. Por todo esto el enfoque antiguo de utilizar cualquier cantidad de recursos para llevar a cabo una actividad ya no es viable y las industrias hace tiempo que se centran en encontrar nuevas formas de mejorar el aprovechamiento energtico. En definitiva se trata de encontrar una forma de desarrollo sostenible para el hombre. 1.1 OBJETIVO DEL PROYECTO El objetivo de este proyecto es el diseo de una planta de trigeneracin para un hospital en Guadalajara. Las demandas energticas del hospital se han obtenido de aos anteriores y en ellas se basarn los diseos de la instalacin. Partiendo de los datos mensuales de los consumos de electricidad, calor y fro, se elaboran tablas de demandas de potencia dividido en franjas horarias para cada da. Se toma un da representativo de cada mes y con ello se disea la instalacin. Con las demandas establecidas y estudiadas se ha diseado una trigeneracin con 3 motores de gas, cada uno con un generador elctrico sncrono y cada uno con dos sistemas de recuperacin de calor. El primer sistema de recuperacin de calor es el circuito de refrigeracin de las camisas de los motores y el segundo circuito de recuperacin de calor es una caldera de recuperacin de calor de los gases de escape. El modo de funcionamiento de la instalacin ser la de seguir la demanda de potencia trmica. Se ha optado por este modo porque las demandas trmicas son elevadas y podemos vender todos los excedentes de energa elctrica a la red. En invierno las nicas demandas trmicas que existen son las de calefaccin y agua caliente sanitaria (ACS) mientras que en verano las demandas trmicas se corresponden con las necesidades de agua caliente para las mquinas de absorcinINSTALACIN DE TRIGENERACIN PARA UN HOSPITAL CON PRODUCCIN DE ELECTRICIDAD, CALOR Y FRO

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y calor para el ACS. Cuando nos falte potencia para la instalacin se podr hacer uso de calderas auxiliares de gasoil para completar las necesidades trmicas. 1.2 CONCEPTOS GENERALES 1.2.1 La cogeneracin Actualmente la cogeneracin y su variante inmediata, la trigeneracin, son la mejor manera de mejorar la eficiencia de instalaciones. La cogeneracin es la produccin conjunta de electricidad y calor. En cualquier instalacin de motor trmico accionando un generador elctrico se produce electricidad junto con calor (el calor residual del motor) y por ello al principio parecera que la cogeneracin no es nada especial. Por eso se debe remarcar el matiz de que en las cogeneraciones y trigeneraciones el calor se aprovecha de forma expresa para procesos o subprocesos adicionales. La variante de la cogeneracin, la trigeneracin, consiste en producir potencia frigorfica adems de calor. La potencia frigorfica se consigue con la inclusin de una mquina de absorcin en la instalacin cuyo funcionamiento explicaremos ms adelante. La mquina de absorcin produce agua fra para las necesidades de agua fra en los sistemas de aire acondicionado en verano. Las trigeneraciones, al incluir la demanda de potencia frigorfica consiguen rendimientos algo mayores debido a las demandas globales ms uniformes a lo largo del ao. Una instalacin de cogeneracin funciona de media con un rendimiento del 85%. Es decir que de media slo se desaprovecha un 15% del combustible. En comparacin un ciclo combinado de turbina de gas con ciclo de vapor solamente obtiene rendimientos del 55% desaprovechando de media el 45% del combustible empleado. Para un aprovechamiento adecuado de una instalacin de cogeneracin o de trigeneracin es imperativo una elevada demanda de calor y una demanda ms o menos constante de electricidad. La cogeneracin y la trigeneracin se pueden aplicar en multitud de mbitos desde edificios de oficinas, hospitales, zonas industriales, zonas residenciales, piscinas, invernaderos, etc. La cogeneracin naci de la mano de la industria en su bsqueda de la mejora del consumo de energa primaria para la reduccin de costes. Se utiliz al principio sobre todo en industrias papeleras e


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industrias qumicas donde las demandas de energa trmica eran elevadas y constantes a lo largo del ao. El diseo adecuado y explotacin eficiente de una instalacin de cogeneracin o trigeneracin siempre ser ms eficiente que la produccin por separado de electricidad, calor y fro permitiendo importantes ahorros energticos y reducciones de costes. En las cogeneraciones la produccin de electricidad, calor y fro se hace consumiendo un nico combustible, normalmente el gas natural canalizado, por lo que los ahorros de costes se basan mayoritariamente en la diferencia del precio de compra de electricidad a red y el precio del combustible empleado. Sin embargo el xito de una instalacin de cogeneracin no est asegurado sin el aprovechamiento de una parte significante de la potencia trmica residual. Uno de los aspectos ms determinantes en el xito de una cogeneracin o trigeneracin es la adaptacin de la produccin a la demanda local a lo largo del ao. Bsicamente existen dos formas de modular el funcionamiento de la instalacin, una es adaptar la produccin a la demanda trmica y la segunda es adaptar la produccin a la demanda elctrica. El primer modo de funcionamiento normalmente resulta en la produccin de un exceso de electricidad que se vende a red. En cambio cuando se sigue la demanda elctrica normalmente hay un defecto de potencia trmica que se debe suplir con calderas auxiliares y por lo tanto con un gasto monetario adicional en combustible. En los siguientes grficos se muestran los dos modos de funcionamiento.


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Produccin Trmica Demanda Trmica

Electricidad vendida a red Demanda Elctrica Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Figura 1. Cogeneracin funcionando para seguir la demanda de calorDemanda Trmica

Potencia de caldera

Produccin Trmica Produccin Elctrica Demanda Elctrica

Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

Nov

Dic

Figura 2. Cogeneracin funcionando para seguir la demanda de electricidad 1.2.1.1 Ventajas de la cogeneracin Entre las principales ventajas de la cogeneracin tenemos: Rendimientos energticos elevados de entre 70% y 90 % Reduccin de prdidas por transporte y distribucin de energa elctrica al producir y consumir la energa en el mismo sitio. La electricidad vendida a red puede incrementar la oferta local y aumentar la seguridad de suministro elctrico local. La seguridad de abastecimiento elctrico de la planta donde est instalada la cogeneracin no depende tanto de las redes de distribucin.


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Reduccin de emisiones contaminantes a la atmsfera como el CO2 y el NOx. Reduccin de costes energticos a medio-largo plazo.

1.2.1.2 Perfiles habituales de los usuarios de la cogeneracin La cogeneracin y trigeneracin se suele emplear en aquellas industrias y puntos de consumo que presenten demandas elctricas ms o menos constantes acompaadas de demandas elevadas de calor. Los sectores ms habituales en los que se emplea la cogeneracin son en el sector industrial y en el sector servicios. El sector industrial emplea la potencia trmica para procesos como el secado de ladrillos, procesos qumicos que requieren vapor, la preparacin de alimentos, etc. En el sector servicios las demandas trmicas suelen ser para abastecer los sistemas de climatizacin y ACS y en hospitales u hoteles se emplea mucho tambin para lavandera. La climatizacin de los edificios se cubre con agua caliente para los intercambiadores de los equipos de calefaccin en invierno mientras que en verano el agua caliente se emplea para producir agua fra en mquinas de absorcin que posteriormente se enva a los equipos de aire acondicionado para climatizacin. Las necesidades de electricidad en las industrias se componen de equipos de moto- bombas elctricas, mquinas especiales, alumbrado, etc. En el sector servicios las demandas de electricidad las conforman el alumbrado, escaleras mecnicas, ascensores, etc. 1.2.1.3 Tecnologas principales de las cogeneraciones Para la produccin de energa elctrica en las instalaciones de cogeneracin y trigeneracin se emplean dos tipos de mquinas fundamentalmente para mover los generadores: las turbinas de gas o de vapor y los motores de combustin interna funcionando con gas natural. 1.2.1.3.1 La turbina de gas Actualmente la turbina de gas es la mquina que ms se utiliza en cogeneraciones de gran escala con potencias elctricas tpicamente instaladas de entre 5 y 100 MWe. Las turbinas de gas pueden utilizar dos tipos de combustibles principalmente:INSTALACIN DE TRIGENERACIN PARA UN HOSPITAL CON PRODUCCIN DE ELECTRICIDAD, CALOR Y FRO

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Gaseosos: Gas natural y propano. Lquidos: gasleo, gasolinas y en algunos casos fuelleos de bajo contenido en azufre.

Los combustibles deben reunir una serie de requisitos entre los que estn: No contener ningn tipo de impureza para evitar la abrasin de los labes de la turbina. Bajo contenido de azufre para mejorar la recuperacin de calor de los gases de escape. El combustible se quema en una cmara de combustin presurizado por un compresor movido por la turbina. La combustin se realiza con un alto exceso de aire, normalmente entre 2,75 y 5 veces el combustible, para as evitar que los gases de la combustin alcancen temperaturas demasiado elevadas que podran daar los labes. Las temperaturas elevadas adems provocan unos esfuerzos de fatiga elevados en los labes y con el exceso de aire lo evitamos. Los gases calientes (1200 C) a alta presin se envan a la turbina donde se expanden variando su momento cintico y provocan el giro de los labes de la turbina. El eje de los labes gira y mueve el eje de un generador elctrico que produce electricidad. Los gases de escape salen a unos 500 C de temperatura y se pueden utilizar bien directamente para calentar agua y crear vapor para procesos industriales, se pueden emplear para calentar agua para calefacciones y ACS o se pueden enviar a una caldera de recuperacin donde se genera vapor para un ciclo de Rankine adicional. El vapor generado en la cmara de recuperacin de gases de escape se puede turbinar en una turbina de vapor y generar electricidad en un segundo generador. Esta configuracin se llama de ciclo combinado. El rendimiento de la instalacin aumenta considerablemente cuando se emplea esta configuracin. Uno de las mayores desventajas de las turbinas de gas es que son poco flexibles. Si se les saca de sus puntos de funcionamiento nominal sus rendimientos bajan drsticamente.

1.2.1.3.2 La turbina de vapor


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Las turbinas de vapor se emplean en los mismos casos que las turbinas de gas. La energa mecnica para mover el alternador e consigue por la expansin de vapor a alta presin en la turbina. Normalmente se emplean turbinas axiales y nunca radiales. El rendimiento global de la instalacin es algo ms elevado que con una turbina de gas pero se consigue menos energa elctrica por unidad de combustible. Existen dos tipos de turbinas de vapor: Turbina de vapor de una etapa: Se emplean para potencias de hasta 1,5 MWe. Son robustas con bajo mantenimiento, bajo rendimiento isentrpico y no son aptas para grandes saltos de presin. Turbina de vapor de dos etapas: Se emplean para potencias a partir de 1 MWe. Se pueden realizar extracciones de vapor intermedias, presentan mayor rendimiento y pueden funcionar con saltos de presin ms elevados. Atendiendo a la clasificacin segn la presin de salida de la turbina se pueden clasificar en turbinas de contrapresin y turbinas de condensacin. Las turbinas de contrapresin presentan presiones de salida mayores que la presin ambiente y el vapor a la salida suele presentar recalentamiento. Las turbinas a contrapresin son las ms habituales en cogeneracin. Las turbinas de condensacin presentan presiones de salida menores que la ambiente. Las condiciones del vapor a la entrada de la turbina las determina la caldera. La temperatura de entrada suele rondar los 400-500 C con presiones habituales de entrada de 40-140 bar. La temperatura y presin a la salida de la turbina lo determina el consumo. 1.2.1.3.3 El motor de combustin interna alternativo Los motores de combustin interna alternativos son la otra gran alternativa para el accionamiento del generador sncrono de una planta de cogeneracin. Normalmente el motor trmico se alimentar de gas natural, reduciendo costes de combustible al ser ste ms barato, o de biogas. El uso del biogas como fuente de energa est aumentando en los ltimos aos gracias a la popularidad de las energas renovables. Para poder usar biogas en un motor trmico solamente hacen falta unas pequeas modificaciones tcnicas en el motor. La gran ventaja de los motores de combustin interna alternativos es que son muy flexibles y permiten respuestas rpidas a cambios de la demanda. PuedenINSTALACIN DE TRIGENERACIN PARA UN HOSPITAL CON PRODUCCIN DE ELECTRICIDAD, CALOR Y FRO

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variar fcilmente la potencia que entregan sin grandes variaciones de sus rendimientos mecnicos o elctricos. Una desventaja que presenta esta tecnologa es que la produccin de calor en los motores es de baja temperatura comparada con la de las turbinas. La recuperacin de calor de los gases de escape y en los circuitos de camisas slo permite producir agua caliente de hasta unos 100-110 C. Esto es suficiente para cubrir necesidades de calefaccin y ACS pero puede ser insuficiente en otras industrias donde la calidad de la potencia calorfica sea un factor importante. Los dos tipos de motores de combustin interna alternativos, Otto y Diesel, se pueden emplear para la cogeneracin. 1.2.1.3.3.1 Ciclo Diesel Actualmente existen instalaciones de hasta 20 MW funcionando con esta tecnologa. Los rendimientos mecnicos que suelen alcanzar suelen ser del 40%. Entre las ventajas de los motores diesel se tienen: Posibilidad de emplear distintos combustibles. Posibilidad de aumentar la potencia instalada con un sistema de sobrealimentacin turbo. Buena relacin de produccin trmica frente a produccin elctrica. T/E comprendido entre 1.1 y 1.5. Entre las principales desventajas que tienen este tipo de motores se tienen: Alto peso y volumen especfico. Las instalaciones suelen ocupar ms sitio que las turbinas de gas y de vapor. Emisiones acsticas elevadas y de difcil reduccin. Es necesario un equipo de refrigeracin de la mezcla exterior, un intercooler, que aumenta el coste de la instalacin. 1.2.1.3.3.2 Ciclo Otto En las cogeneraciones normalmente se hacen funcionar con gas natural dado su coste reducido. Las potencias tpicas de estas instalaciones suelen ser de entre 3 kWe y 5 MWe. Las ventajas de este tipo de motor son prcticamente las mismas que las de un motor diesel salvo que suelen funcionar con relaciones de potencia trmica- potencia elctrica de hasta 1.7.


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1.2.1.4 Determinacin de la fuente de energa mecnica Para la determinacin de la fuente de energa mecnica, motor trmico o turbina de gas o vapor, mediante la cual se obtiene energa mecnica a partir de energa qumica de un combustible se tienen e cuenta varios factores entre los que tenemos: Demandas de potencia y electricidad. Necesidades de calor a alta o baja temperatura. Uniformidad de las demandas trmicas y elctricas en el tiempo, durante el ao y durante el da. Posibilidad de suministro de gas mediante canalizacin y costes relacionados. Las turbinas son menos flexibles que los motores de combustin interna y por ello un m.c.i.a. es la mejor solucin para aquellas instalaciones en las que la demanda de potencia es ms irregular con paradas y arranques diarios o semanales. Las turbinas se emplean para potencias ms elevadas y ms constantes con menos paradas programadas. Se instala una turbina grande y se mantiene funcionando constantemente mientras que con los m.c.i.a. se instalan normalmente varios y se van encendiendo de forma escalonada para ir adaptndose a la potencia trmica necesaria. Por otro lado la calidad del vapor generado por el calor residual de una turbina es mucho mayor que la calidad del vapor generado por un m.c.i.a. Una turbina genera vapor que se puede emplear para procesos industriales a alta temperatura mientras que un motor genera agua caliente a temperaturas habituales de 90 C que solamente son aptas para demandas de calefaccin, ACS o similares. 1.2.1.5 Aspectos legales y normativas aplicables a las cogeneraciones Las instalaciones de cogeneracin que exportan su energa elctrica a la red pertenecen a los productores de rgimen especial. Estos productores se rigen por el Real Decreto 661/2007 del 25 de Mayo. 1.2.1.5.1 Clasificacin


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En el artculo 2 del Real Decreto se clasifican las instalaciones por categoras: Artculo 2. mbito de aplicacin. 1. Podrn acogerse al rgimen especial establecido en este real decreto las instalaciones de produccin de energa elctrica contempladas en el artculo 27.1 de la Ley 54/1997, de 27 de noviembre. Dichas instalaciones se clasifican en las siguientes categoras, grupos y subgrupos, en funcin de las energas primarias utilizadas, de las tecnologas de produccin empleadas y de los rendimientos energticos obtenidos: a) Categora a): productores que utilicen la cogeneracin u otras formas de produccin de electricidad a partir de energas residuales. Tienen la consideracin de productores cogeneradores aquellas personas fsicas o jurdicas que desarrollen las actividades destinadas a la generacin de energa trmica til y energa elctrica y/o mecnica mediante cogeneracin, tanto para su propio uso como para la venta total o parcial de las mismas. Entendindose como energa elctrica la produccin en barras de central o generacin neta, de acuerdo con los artculos 16.7 y 30.2 de la Ley 54/1997, de 27 de noviembre. Se entiende por energa trmica til la producida en un proceso de cogeneracin para satisfacer, sin superarla, una demanda econmicamente justificable de calor y/o refrigeracin y, por tanto, que sera satisfecha en condiciones de mercado mediante otros procesos, de no recurrirse a la cogeneracin. Esta categora a) se clasifica a su vez en dos grupos: 1. Grupo a.1. Instalaciones que incluyan una central de cogeneracin siempre que supongan un alto rendimiento energtico y satisfagan los requisitos que se determinan en el anexo I. Dicho grupo se divide en cuatro subgrupos: Subgrupo a.1.1. Cogeneraciones que utilicen como combustible el gas natural, siempre que ste suponga al menos el 95 por ciento de la energa primaria utilizada, o al menos el 65 por ciento de la energa primaria utilizada cuando el resto provenga de biomasa y/o biogs en los trminos previstos en el anexo II; siendo los porcentajes de la energa primaria utilizada citados medidos por el poder calorfico inferior.


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Subgrupo a.1.2. Cogeneraciones que utilicen como combustible gasleo, fuel-oil o bien Gases Licuados del Petrleo (GLP), siempre que estos supongan al menos el 95 por ciento de la energa primaria utilizada, medida por el poder calorfico inferior. Subgrupo a.1.3. Cogeneraciones que utilicen como combustible principal biomasa y/o biogs, en los trminos que figuran en el anexo II, y siempre que sta suponga al menos el 90 por ciento de la energa primaria utilizada, medida por el poder calorfico inferior. Subgrupo a.1.4. Resto de cogeneraciones que incluyen como posibles combustibles a emplear, gases residuales de refinera, coquera, combustibles de proceso, carbn y otros no contemplados en los subgrupos anteriores Por lo tanto viendo lo expuesto en el artculo 2 del Real Decreto nuestra instalacin se clasificar como a.1.1 al funcionar con gas natural. 1.2.1.5.2 Determinacin de caractersticas de la instalacin Para la determinacin de la potencia a considerar a efectos de clculos para retribuciones y dems el Real Decreto dice: Artculo 3. Potencia de las instalaciones. 1. La potencia nominal ser la especificada en la placa de caractersticas del grupo motor o alternador, segn aplique, corregida por las condiciones de medida siguientes, en caso que sea procedente: a) Carga: 100 por ciento en las condiciones nominales del diseo. b) Altitud: la del emplazamiento del equipo. c) Temperatura ambiente: 15 C. d) Prdidas de carga: admisin 150 mm c.d.a.; escape 250 mm c.d.a. e) Prdidas por ensuciamiento y degradacin: tres por ciento. 2. A los efectos del lmite de potencia establecido para acogerse al rgimen especial o para la determinacin del rgimen econmico establecido en el captulo IV, se considerar que pertenecen a una nica instalacin cuya potencia ser la suma de las potencias de las instalaciones unitarias para cada uno de los grupos definidos en el artculo 2: a) Categoras a): instalaciones que tengan en comn al menos un consumidor de energa trmica til o que la energa residual provenga del mismo proceso industrialINSTALACIN DE TRIGENERACIN PARA UN HOSPITAL CON PRODUCCIN DE ELECTRICIDAD, CALOR Y FRO

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1.2.1.5.3 Derechos y obligaciones de las instalaciones Las instalaciones que se puedan acoger al rgimen especial definido en el Real Decreto tendrn una serie de derechos y obligaciones que se establecen en el artculo 17 y 18 del captulo 3 del mismo: a) Conectar en paralelo su grupo o grupos generadores a la red de la compaa elctrica distribuidora o de transporte. b) Transferir al sistema a travs de la compaa elctrica distribuidora o de transporte su produccin neta de energa elctrica o energa vendida, siempre que tcnicamente sea posible su absorcin por la red. c) Percibir por la venta, total o parcial, de su energa elctrica generada neta en cualquiera de las opciones que aparecen en el artculo 24.1, la retribucin prevista en el rgimen econmico de este real decreto. El derecho a la percepcin de la tarifa regulada, o en su caso, prima, estar supeditada a la inscripcin definitiva de la instalacin en el Registro de instalaciones de produccin en rgimen especial dependiente de la Direccin General de Poltica Energtica y Minas, con anterioridad a la fecha lmite establecida en el artculo 22. d) Vender toda o parte de su produccin neta a travs de lneas directas. e) Prioridad en el acceso y conexin a la red elctrica en los trminos establecidos en el anexo XI de este real decreto o en las normas que lo sustituyan los titulares de instalaciones de produccin en rgimen especial tendrn las siguientes obligaciones: a) Entregar y recibir la energa en condiciones tcnicas adecuadas, de forma que no se causen trastornos en el normal funcionamiento del sistema Es decir que nuestra instalacin podr entregar toda la potencia elctrica que genere a la red siempre que sea tcnicamente posible y tiene derecho a percibir por ello una tarifa establecida en el Real Decreto. 1.2.1.5.4 Rgimen econmico Existen dos modos de funcionamiento en el rgimen especial. El productor elige a cul acogerse durante un periodo de al menos un ao. El primer modo es la tarifa fija regulada y el segundo modo es la venta en el mercado elctrico o PoolINSTALACIN DE TRIGENERACIN PARA UN HOSPITAL CON PRODUCCIN DE ELECTRICIDAD, CALOR Y FRO

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elctrico complementado con una prima de referencia. En el primer modo el productor percibe una cantidad fija sea cual sea la hora del da diferenciando nicamente entre hora punta y hora valle para aplicar unos pequeos factores de compensacin retributiva. En el segundo modo el productor en rgimen especial percibir lo que dicte el mercado complementando su precio con una prima de referencia fija. Una de las novedades del nuevo Real Decreto de 2007 es que se establece una prima que es funcin directa del ahorro de energa primaria que exceda del que corresponde al cumplimiento de los requisitos mnimos para acogerse al rgimen especial. Ahora cuanto ms eficiente seas, ms percibes por la venta de energa elctrica. La ltima parte de la tarifa a aplicar sea cual sea el modo de venta a red, es un complemento por energa reactiva, calidad de la energa entregada a red, que vara segn el factor de potencia con el que se entregue la electricidad. Otra novedad del RD 661 es que especifica un modo de retribucin distinto para las instalaciones que empleen el calor residual especficamente para la climatizacin de edificios, que es nuestro caso. Este apartado del RD se detalla en el apartado de anlisis de viabilidad. 1.2.2 Refrigeracin por absorcin La refrigeracin por absorcin se conoce desde antes que el ciclo de Carnot por compresin (s. XIX) pero el desarrollo tecnolgico del ciclo de Carnot fue mucho ms rpido y se extendi mucho ms que el ciclo de absorcin o de Carr. El ciclo de absorcin es como el de Carnot pero sustituye el compresor mecnico por un compresor trmico. Para la mquina de absorcin se utilizan dos lquidos, un refrigerante y un absorbente. Los dos tipos de mquinas ms extendidas son las de agua y bromuro de litio y las mquinas que emplean amoniaco y agua ( En cada caso el primer agente es el refrigerante y el segundo el absorbente respectivamente). Las partes bsicas de una muina por ciclo de absorcin son: Generador de vapor Evaporador Condensador


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Absorbedor

1.2.2.1 Principio bsico El ciclo de absorcin se basa fsicamente en la capacidad que tienen algunas sustancias, tales como el agua y algunas sales como el bromuro de litio, para absorber, en fase lquida, vapores de otras sustancias tales como el amoniaco y el agua respectivamente. A partir de este principio se construye la mquina de absorcin en la que se produce la evaporacin y consiguiente absorcin de calor de un agua que se quiere enfriar en un evaporador. A continuacin se recupera el vapor disolvindolo en una solucin salina o incorporndola a una mas a lquida. 1.2.2.2 Proceso El refrigerante, agua o amoniaco, se evapora en el evaporador tomando el calor de cambio de estado del fluido que circula por el interior del haz tubular de este intercambiador (producto til de la mquina). Los vapores producidos se absorben por el absorbente, bromuro de litio o agua destilada, en un proceso de disolucin endotrmico que requiere de refrigeracin externa para que la solucin se mantenga en condiciones de temperatura correctas y no aumente la presin en la cmara en la que se produce la absorcin y que se denomina absorbedor. En este circuito de refrigeracin externa se utilizan normalmente torres de refrigeracin de agua de tipo abierto o cerrado. El agua enfriada en la torre se hace circular a travs del interior del haz tubular de otro intercambiador que se encuentra situado en el interior de la cmara del absorbedor y sobre el que se roca el absorbente para facilitar el proceso de la absorcin. El evaporador y el absorbedor tienen un rea de comunicacin muy amplia, lo que permite que el vapor de agua refrigerante sea absorbido fcilmente por las partculas de solucin concentrada de bromuro de litio o agua destilada. La masa de absorbente que ha captado el refrigerante conteniendo forma una solucin diluida que se transporta, mediante bomba, hasta otro intercambiador de calor superior y a alta presin cuya funcin es separar el refrigerante del absorbente por destilacin del refrigerante y que se llama generador o concentrador. La separacin de ambos se consigue mediante la circulacin de un fluido caliente, el de aporte a la mquina proveniente del calor recuperado de los gases de escape por ejemplo de un motor trmico, que evapora el agua de la mezcla destilando la solucin. ComoINSTALACIN DE TRIGENERACIN PARA UN HOSPITAL CON PRODUCCIN DE ELECTRICIDAD, CALOR Y FRO

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consecuencia de la ebullicin y evaporacin del refrigerante en el generador (a alta presin) se queda una solucin concentrada de absorbente (LiBr o agua destilada) que se podr emplear de nuevo para el ciclo de absorcin en el absorbedor. El flujo de absorbente vuelve al absorbedor mediante bombeo y el refrigerante vaporizado destilado en el generador se desplaza por presin diferencial a la zona del condensador por el que circula un haz de tubos con agua de la torre de refrigeracin externa y el refrigerante se condensa volviendo al estado lquido (presin tpica del condensador 6,2 kPa). El refrigerante condensado se canaliza por el fondo del condensador y se enva por diferencia de presiones a la cmara del evaporador que est a baja presin, unos 0,7 kPa. En el evaporador tiene lugar la vaporizacin del lquido refrigerante y la captacin del calor latente de vaporizacin, por enfriamiento del fluido que circula por el interior de un haz de tubos (Este producto es el til que se puede emplear en los sistemas de aire acondicionado; temperatura tpica de salida 7 C). El lquido refrigerante no vaporizado cae al fondo del evaporador, desde donde una bomba de funcionamiento continuo lo impulsa a un sistema de distribucin en la parte alta del mismo, a una presin suficiente para generar una aspersin del lquido sobre el haz de tubos a enfriar as favoreciendo la vaporizacin del mismo con lo que se cierra el ciclo. Aqu se muestra un esquema de funcionamiento de una mquina de efecto simple:


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1.2.2.2.1 Mquinas de doble efecto Las mquinas de absorcin se pueden hacer tambin de dos etapas. Estas mquinas se distinguen porque incluyen una segunda etapa de generacin de vapor. El agua o vapor caliente que alimenta al generador de la mquina produce vapor en un primer generador de alta temperatura y posteriormente pasa el vapor generado a un segundo generador de menor potencia, donde se vuelve a producr ms vapor. El vapor generado de las dos etapas se enva ya al condensador y el ciclo sigue de la misma forma que uno de efecto simple. A continuacin se muestran unos esquemas de funcionamiento de la mquina de doble efecto.


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La ventaja principal de la mquina de doble efecto es el hecho de que se obtienen COPs de hasta 1,5 mientras que en las de efecto simple slo se alcanzaban rendimientos de hasta 0,7. Las mquinas de doble efecto son especialmente interesantes ahora para la cogeneracin porque el nuevo RD 661 establece el modo de retribucin empleando el calor til final que se emplea en la climatizacin. Antes, con el antiguo real decreto, el valor de potencia trmica que se usaba para el clculo del REE era la potencia trmica empleada en la entrada a las mquinas y no afectaba el hecho de que se empleara una de doble o simple efecto. Por lo tanto con mquinas de doble efecto, con un kilovatio de potencia trmica consigues 1,1-1,3 kilovatios de potencia frigorfica de media que es potencia regalada para el clculo de nuestro REE. En el diseo de la instalacin que se ha hecho en este proyecto se han empleado mquinas de doble efecto con COPs estimados de 1,1.


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1.2.2.3 Ventajas de los equipos de refrigeracin por absorcin Posibilidad de ahorro de energa primaria: el COP es lo que mide la eficiencia del ciclo de absorcin. COP de una mquina de simple efecto est entre 0.6-0.7 y el COP de una mquina de doble efecto suele ser 1 mientras que las de triple efecto consiguen COPs de hasta 1.6. Proteccin del medio ambiente: Las mquinas de absorcin no emplean CFC ni HCFC. Adems, al consumir menos energa primaria para la produccin de fro ya se est contaminando menos la atmsfera. Eficiencia casi constante a cargas parciales: A diferencia de los equipos de compresin elctrica, los equipos de absorcin pierden muy poco rendimiento a cargas parciales y permite una instalacin modular Fiabilidad del funcionamiento Complementan instalaciones de cogeneracin. En aquellas instalaciones en las que no se aprovecha lo suficiente el calor residual de los equipos en verano la refrigeracin aumenta el grado de utilizacin de la planta. (Trigeneracin) Silenciosos y sin vibraciones al no incorporar ni motor ni compresor. Menor mantenimiento que los compresores elctricos. No incorporan partes mviles ni circuitos de aceite pero si requieren inspecciones peridicas. 1.2.2.4 El agua como refrigerante El agua se evapora a una temperatura de 100 C a una presin de 1 kg/cm2. Sin embargo al bajar la presin del agua se consigue disminuir muchsimo la temperatura a la que se evapora el agua y es precisamente este fenmeno el que se aprovecha en el evaporador de la mquina de absorcin. Para poder absorber el calor del agua de climatizacin en el evaporador de la mquina se disminuye la presin hasta 6- 7 mm Hg consiguiendo que el refrigerante agua


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se

evapore

a

3

C.

Variacin del punto de ebullicin del agua800

Presin absoluta (mm Hg)

700 600 500 400 300 200 100 0 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101

Temperatura de ebullicin ( C)

1.2.2.5 Consideraciones de operacin y mantenimiento Uno de los rasgos caractersticos de las mquinas de absorcin es su hermeticidad. Es importante para poder confinar sustancias como el amoniaco o el LiBr y para conseguir presiones relativas bajas en su interior para el evaporador. Esto hace que el diseo de las mquinas sea robusto y hermtico. Desde el punto de vista de su operacin y mantenimiento, las mquinas de absorcin requieren intervenciones especficas que no son de aplicacin en otro tipo de circuitos frigorficos. Por ejemplo, es preciso efectuar mediciones peridicas del estado de pureza del agua y de las soluciones salinas, mediante la extraccin de muestras y anlisis de las mismas. Es importante tambin el conocimiento de los niveles de concentracin en las soluciones para determinar si el rendimiento instantneo de un determinado equipo es o no correcto. Es de relevancia tambin la medicin del nivel de vaco interior en una mquina para comprender si la produccin frigorfica se est llevando a cabo en condiciones correctas o no. 1.2.2.6 Problemas de la absorcin. La cristalizacin El principal problema que se presenta en las mquinas de absorcin es el de la cristalizacin. Este fenmeno consiste en la concentracin demasiado elevada de bromuro de litio en la solucin rica de la mquina. Si la solucin se concentra demasiado se puede llegar a cristalizar como su nombre indica y pueden llegar a obstruirse los conductos por los que pasa la solucin. La cristalizacin seINSTALACIN DE TRIGENERACIN PARA UN HOSPITAL CON PRODUCCIN DE ELECTRICIDAD, CALOR Y FRO

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produce por diversas causas, entre ellas estn la presencia de incondensables en el condensador, una temperatura demasiado baja del agua de refrigeracin y fallos del suministro elctrico. En el caso de que existan incondensables en el condensador pueden ser de dos tipos: Puede ser aire procedente de la atmsfera que se haya infiltrado por una fisura o grieta en la carcasa de la mquina de absorcin. El aire que se infiltre en la mquina se acumular en la zona de menor presin de la misma que es la del absorbedor. Al acumular aire procedente de la atmsfera en el absorbedor la presin de trabajo de esta zona aumentar y dificultar la absorcin del agua por parte del absorbente LiBr. Esto har que la temperatura de entrada del agua del generador tenga que ser mayor para seguir manteniendo una concentracin elevada de la solucin rica y poder seguir absorbiendo el vapor del refrigerante en el absorbedor. Una mayor temperatura en el generador aumentar la posibilidad de que se evapore demasiado refrigerante en el generador y se cree una solucin demasiado rica que obstruya los conductos de la mquina. Los incondensables pueden aparecer tambin por la oxidacin interna de la mquina. La reaccin de oxidacin de una mquina es la siguiente 2 Fe + 3H 2 O Fe 2 O3 + 3H 2 . El hidrgeno en los productos se acumular en forma de gas en la zona del absorbedor tambin y aumentar la presin relativa dentro del mismo dificultando la absorcin del LiBr. Esto disminuye el COP de la mquina al no poder absorber bien la solucin concentrada. La obstruccin de los conductos se puede llegar a dar por el mismo mecanismo descrito en el anterior punto. Para comprobar si la presencia de incondensables en la mquina es por oxidacin o por la presencia de aire en la mquina se inspecciona el punto de purga del absorbedor. Se enciende un mechero en la salida de la purga y se abre la vlvula para que salgan los gases. Si la llama arde con ms intensidad es debido a la presencia de hidrgeno en el absorbedor y por lo tanto es un oxidacin en la mquina la culpable. Si


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la llama no arde con ms fuerza la causa es la intrusin de aire de la atmsfera. Para eliminar completamente los incondensables se purga por completo la mquina aplicando la bomba de vaco al absorbedor. Otra causa de la cristalizacin puede ser una temperatura demasiado baja en el agua de la torre de refrigeracin. Si la temperatura del agua de la torre en la entrada al condensador es menor que unos 12 C la presin de condensacin disminuye y esto puede provocar que se evapore el agua del generador arrastrando cantidades de solucin de LiBr hasta el condensador. Esto provoca la disminucin de la concentracin de la solucin rica que se enva al absorbedor. Si la solucin rica que llega al absorbedor ya no es tan rica se disminuye su capacidad de absorcin del agua evaporada y con ello el COP de la mquina. Una posible solucin es aumentar la temperatura del agua de alimentacin a la entrada del generador con los consiguientes riesgos relacionados con la formacin de cristales de solucin de LiBr ya descritos. . Otro factor a tener en cuenta es si la mquina se queda sin suministro de electricidad de repente. En este caso la solucin concentrada de LiBr en la bandeja recolectora del generador se quedara ah hasta que se enfriase el generador. Si esto ocurriese se podra cristalizar aqu la solucin. 1.2.2.6.1 Dispositivos anti-cristalizacin El primer dispositivo de seguridad contra la cristalizacin es un flotador que se coloca en el generador. Si est ocurriendo cristalizacin se empezarn a obstruir los conductos que llevan la solucin concentrada hasta el absorbedor. Si se obstruye, el nivel de solucin concentrada en el generador aumentar y el flotador subir de nivel. Al subir el flotador se dispara un rel que activa la apertura de una vlvula que bombea agua (refrigerante) desde la zona del evaporador hasta la zona del concentrador para que la solucin deje de cristalizar. (Al disminuir la concentracin drsticamente se evita la cristalizacin). Si se queda sin electricidad la mquina y no se puede bombear lquido se dispara un rel que abre una vlvula que vaca el generador de solucin concentrada y la manda toda a la zona de baja concentracin en el absorbedor. Esto es un sistema de seguridad pasiva que evita que se concentre demasiado la solucin en el generador. Este sistema tambin acta cuando el nivel de solucin es demasiado elevado en el generador.INSTALACIN DE TRIGENERACIN PARA UN HOSPITAL CON PRODUCCIN DE ELECTRICIDAD, CALOR Y FRO

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En las siguientes grficas se muestra el comportamiento tpico de mquinas de absorcin. Al disminuir la temperatura del agua de la torre de refrigeracin auxiliar (para el condensador y el absorbedor) con la misma energa de entrada al generador (eje y) de la mquina se consigue producir ms agua fra (eje x).

2. DATOS DEL HOSPITAL 2.1 INFORMACIN GENERAL DEL HOSPITAL Este proyecto tiene como objetivo el diseo y estudio de un instalacin d trigeneracin para un hospital situado en Guadalajara. Para llevar a cabo el proyecto hemos obtenido datos generales de los consumos energticos del hospital y a partir de ellos hemos diseado una solucin apropiada. El hospital en cuestin tiene 750 camas y una superficie de 75000 m2 aproximadamente. El hospital se encuentra en una zona muy calurosa en verano con altas demandas de aire acondicionado y en invierno las temperaturas son muy bajas requiriendo mucha potencia de las calderas para la calefaccin. El hospital actualmente obtiene su electricidad para iluminacin y fuerza (equipos del hospital, ascensores, bombas etc.) comprndola a la red elctrica a travs de un comercializador con un contrato de larga utilizacin. El hospital cuenta con un centro de transformacin de 20 kV/380 V compuesto por 4 transformadores de 1400 kVA cada uno (5600 kVA). Para cubrir sus necesidades de calor para calefaccin y ACS en invierno, el hospital tiene instaladas 3 calderas


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de gas natural de 1500 kW cada una. En verano el hospital emplea 3 equipos de refrigeracin con compresor elctrico para producir el agua fra para los equipos de aire acondicionado. El consumo elctrico de los compresores en verano hace aumentar bastante la demanda de electricidad comprada a red. En nuestro diseo de la instalacin se debe tener en cuenta la importancia de que el hospital no se quede sin electricidad ni potencia calorfica o frigorfica en ningn momento. Por ello el sistema que diseemos debe ser fiable y tiene que contar con un sistema secundario que asegure el abastecimiento de potencia. El hospital tiene demandas que varan a lo largo del da con disminuciones por la noche y picos durante el da. Esto requiere un sistema flexible que sea capaz de adaptarse a las fluctuaciones, por ello se ha optado por una instalacin con 3 motores de gas natural que aportan flexibilidad y buena fiabilidad a la instalacin. Los motores funcionarn casi todo el ao con paradas para mantenimiento programadas y alternndose entre s cuando no haga falta toda la potencia instalada. Esto se detalla ms en el apartado de clculos. 2.1.1 Datos de partida Los datos de consumos del hospital de gas y electricidad se han obtenido de las facturas del ao 2007. Los recibos vienen desglosados por meses y para nuestros clculos hemos realizado unas tablas horarias para un da representativo de cada mes en las que se muestra el consumo en cada franja horaria.


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2.1.1.1 Datos de demanda elctrica

Consumo Elctrico InicialMes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Consumo Total (kWh) 1.312.302,3 1.164.489,0 1.199.819,2 1.169.714,4 1.296.247,5 1.429.021,3 1.642.558,2 1.832.946,8 1.465.760,4 1.202.568,5 1.134.761,1 1.242.144,3 Reactiva (kWh) 239.512,9 215.645,0 224.324,8 214.426,3 337.392,2 530.251,9 715.416,5 887.258,3 587.268,2 313.759,3 240.360,5 210.071,3 Factor de Potencia Potencia Potencia Mxmetro (kW) Facturada (kW) 0,98 0,98 0,98 0,98 0,97 0,93 0,9 0,88 0,92 0,97 0,98 0,99 3.504,4 2.983,5 2.668,0 2.862,5 2.983,5 3.270,8 4.010,1 4.010,1 4.010,1 2.918,1 2.834,8 3.129,8 3.766,0 3.370,3 2.668,0 2.862,5 2.983,5 3.531,3 4.330,3 4.330,3 4.330,3 2.918,1 2.834,8 3.129,8

Se observa un claro incremento de la demanda de electricidad en los meses de verano, Mayo- Octubre, debido a la potencia demandada para los equipos de refrigeracin por compresin. En la instalacin a disear la demanda de potencia frigorfica se cubrir con mquinas de absorcin que no emplean electricidad sino potencia trmica. Por ello para calcular la potencia elctrica necesaria a instalar se tendrn que separar las necesidades de electricidad para alumbrado y fuerza y la necesaria para los equipos de compresin. En el siguiente grfico mostramos las demandas de electricidad para alumbrado y fro separadas y por meses:


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Consumo Elctrico del Hospital1.800,0 1.600,0 1.400,0 MWh 1.200,0 1.000,0 800,0 600,0 400,0br er o M ar zo En er o M ay o Ju ni o br e m br e D Ju lio os to br e ril O ct u Ag m br e Ab m

663 497 284 131 332 101

ov ie

pt ie

Fe

Se

Consumo Elctrico (kwh)

Fro (kwh)

Se observa que si se quitan las demandas de potencia para fro en cada mes de verano la potencia elctrica permanece bastante constante. Esto es una ventaja para la instalacin de trigeneracin cuando tenga que funcionar en isla ya que permite elegir la potencia a instalar repartindola en un nmero de motores tal que el punto de funcionamiento de los mismos sea prximo al de sus puntos ptimos de rendimiento durante la mayora del tiempo. Para el diseo de la instalacin se necesitan unas previsiones de demanda de fro para poder determinar la potencia frigorfica a instalar. Las demandas de potencia frigorfica en las que basamos nuestro diseo se obtienen de las demandas de electricidad de los compresores del ao 2007. Los compresores elctricos que actualmente abastecen al hospital funcionan con unos COP2,65 (Coefficient of performance). Esto quiere decir que las demandas efectivas de potencia frigorfica que se necesitan son 2,65 veces mayor que las potencias demandadas elctricamente. Por otro lado la demanda de fro de la nueva instalacin se puede cubrir con unas mquinas de absorcin que funcionan de media con unos rendimientos bajos, entorno al 0,7, si se trata de mquinas de simple efecto o con mquinas de buenos rendimientos COP de 1,1-1,2 en el caso de las mquinas de doble etapa. Por lo tanto para elaborar las tablas de datos estimados para llevar a cabo el diseo se multiplican las demandas de potenciaINSTALACIN DE TRIGENERACIN PARA UN HOSPITAL CON PRODUCCIN DE ELECTRICIDAD, CALOR Y FRO

N

ici e

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elctrica por 2,65 y se dividen por 0,7 o 1,1 para obtener la potencia trmica necesaria a entregar a las mquinas de absorcin de simple y doble efecto respectivamente. Sin embargo, el nuevo RD 661 establece un sistema de retribucin especial para las instalaciones que emplean la potencia para climatizacin de edificios. La novedad fundamental, que influye en la eleccin del tipo de mquina a instalar, es el hecho de que en el clculo del REE el trmino V incluye la potencia efectiva de fro demandada. Por lo tanto si se instala una mquina de simple efecto con rendimiento 0,7 el denominador de la ecuacin del REE aumenta mucho disminuyendo el REE final mientras que si se instala una de doble efecto se disminuye mucho el denominador de la ecuacin y se consigue un REE mucho mejor. Para ms aclaraciones consultar el apartado de clculos o el RD 661 adjunto en los anexos. Por lo expuesto, se ha optado por el uso de mquinas de doble efecto para lograr acogernos al REE con mayor facilidad.

Demanda de Electricidad y Fro MesEnero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Total

Demanda Elctrica (kWh)1.312.335 1.164.558 1.239.851 1.169.771 1.164.854 1.145.008 1.145.036 1.169.702 1.134.082 1.122.058 1.134.827 1.242.217 14.144.298

Demanda de electricidad para compresores (kWh) 131.358 283.967 497.425 663.232 331.616 101.417

Potencia necesaria para mquinas de absorcin (kWh) 395.567 855.128 1.497.926 1.997.234 998.617 305.403

2.009.016

6.049.876

En la demanda de potencia trmica estimada para las mquinas de absorcin (cuarta columna) hemos afectado a las potencias de unos factores de


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seguridad por si acaso las demandas trmicas de fro aumentan en verano. Estos factores varan segn el mes de verano entre 1,05 y 1,25. Con las estimaciones de la demanda trmica necesaria para las mquinas de absorcin podremos elegir mejor la potencia trmica necesaria a recuperar de los motores y por lo tanto el tamao de los motores. 2.1.1.2 Datos de demanda trmica La potencia calorfica necesaria para los circuitos de calefaccin y para el agua caliente sanitaria se obtendr de la potencia calorfica residual recuperada en 2 circuitos de recuperacin de calor. El primer sistema es el sistema de recuperacin de calor de los gases de escape que consiste en una caldera de recuperacin de gases que aprovecha el calor residual de los mismos para calentar agua en un circuito cerrado. El agua del circuito se hace pasar por un intercambiador de calor que entrega la potencia a un circuito principal de agua caliente que alimenta a los circuitos de calefaccin. En segundo lugar contamos con un sistema de refrigeracin de las camisas de los motores que recupera calor de la friccin y combustin en los pistones y lo entrega en un segundo intercambiador, a ms baja temperatura, que lo entrega al circuito principal. Las demandas trmicas de ACS y calefaccin se obtienen en la actualidad mediante la quema de combustible, gas natural, en calderas y por ello la potencia necesaria ser la misma ya que se obtiene por el calentamiento de agua, igual que el sistema a instalar con la trigeneracin, con intercambiadores. En el estado actual del hospital el consumo de combustible que se tiene es ntegramente para alimentar las calderas de gas natural. A continuacin mostramos en tabla los datos de consumo de gas del hospital y los datos mensuales de demandas de calefaccin y acs.


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PGINA 30

ESTADO ACTUAL SIN TRIGENERACIN Consumo de Gas NaturalMes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Total*Termias

Consumo de gas (Te*) 2.760.192 2.264.807 2.057.839 1.854.044 1.238.815 1.003.389 976.271 979.656 1.050.881 1.241.332 1.642.410 2.265.056 19.334.690,02

Consumo de gas (kWh) 3.209.337 2.633.341 2.392.696 2.155.738 1.440.398 1.166.662 1.135.132 1.139.068 1.221.882 1.443.324 1.909.667 2.633.630 22.480.873,74

ESTADO ACTUAL SIN TRIGENERACIN Demandas de potencia calorficaMes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Calefaccin (kWh) ACS (kWh)

Total

1.935.821 1.522.866 1.197.614 1.023.165 0 0 0 0 0 320.168 728.796 1.446.440 8.174.871

193.713 174.968 204.475 197.881 258.285 204.798 159.815 163.161 251.739 221.694 218.710 193.713 2.442.951

2.1.1.3 Tablas de demanda horaria En las siguientes tablas de demanda horaria reflejamos las necesidades de potencia trmica para cada da representativa de cada mes. En los meses de verano la demanda trmica recoge las necesidades de potencia para acs y para las mquinas de absorcin mientras que en invierno la potencia trmica recoge las necesidades de potencia para calefaccin y acs solamente.


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MES DE ENERO Horas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Demanda Elctrica (kW) 1.366 1.288 1.206 1.157 1.131 1.101 1.096 1.114 1.405 1.909 2.271 2.413 2.533 2.614 2.608 2.563 2.372 2.254 1.690 1.655 1.674 1.687 1.692 1.537 Demanda Trmica (kW) 2.231 2.103 1.968 1.889 1.845 1.797 1.790 1.784 2.297 3.119 3.710 3.941 4.137 4.269 4.260 4.185 3.875 3.683 2.760 2.703 2.734 2.756 2.765 2.510


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MES DE FEBRERO Horas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Demanda Elctrica (kW) 1.343 1.267 1.184 1.137 1.109 1.083 1.077 1.096 1.382 1.877 2.230 2.371 2.491 2.569 2.564 2.519 2.332 2.218 1.663 1.601 1.645 1.658 1.666 1.511 Demanda Trmica (kW) 1.958 1.848 1.726 1.658 1.616 1.579 1.571 1.597 2.015 2.736 3.252 3.457 3.631 3.746 3.737 3.674 3.400 3.233 2.425 2.333 2.399 2.417 2.428 2.204


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MES DE MARZO Horas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Demanda Elctrica (kW) 1.290 1.217 1.138 1.094 1.068 1.040 1.034 1.052 1.328 1.804 2.146 2.279 2.394 2.469 2.465 2.422 2.242 2.130 1.596 1.563 1.581 1.594 1.598 1.452 Demanda Trmica (kW) 1.508 1.422 1.330 1.277 1.248 1.215 1.209 1.230 1.552 2.108 1.581 2.664 2.796 2.886 2.880 2.829 2.620 2.489 1.865 1.826 1.848 1.863 1.868 1.697


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MES DE ABRIL Horas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Demanda Elctrica (kW) 1.381 1.306 1.224 1.174 1.145 1.116 1.111 1.129 1.281 1.833 2.161 2.216 2.314 2.303 2.072 1.899 1.613 1.584 1.652 1.707 1.736 1.760 1.718 1.560 Demanda Trmica (kW) 1.442 1.362 1.277 1.226 1.195 1.165 1.160 1.179 1.337 1.913 2.256 2.314 2.415 2.404 2.163 1.982 1.683 1.653 1.723 1.782 1.812 1.837 1.792 1.628


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MES DE MAYO Horas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Demanda Elctrica (kW) 1.544 1.454 1.363 1.306 1.275 1.283 1.238 1.259 1.113 1.730 2.094 2.037 2.145 2.131 1.874 1.633 1.312 1.380 1.456 1.516 1.546 1.720 1.673 1.498 Demanda Trmica (kW) 847 801 752 723 706 710 687 828 752 1.077 1.269 1.206 1.263 1.223 1.088 961 791 828 899 930 948 1.007 948 856


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MES DE JUNIO Horas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Demanda Elctrica (kW) 1.860 1.753 1.646 1.577 1.538 1.502 1.494 1.518 1.359 1.686 2.126 1.904 2.033 2.018 1.708 1.356 968 1.173 1.263 1.339 1.374 1.766 1.711 1.497 Demanda Trmica (kW) 1.804 1.702 1.598 1.530 1.494 1.459 1.452 1.540 1.386 1.700 2.124 1.895 2.018 1.988 1.690 1.351 978 1.174 1.278 1.350 1.386 1.745 1.677 1.472


1. MEMORIA


PGINA 37

MES DE JULIO Horas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Demanda Elctrica (kW) 1.595 1.448 1.294 1.450 1.397 1.342 1.333 1.372 1.496 1.815 2.430 1.913 2.092 2.071 1.642 1.124 875 976 1.105 1.205 1.259 2.052 1.974 1.677 Demanda Trmica (kW) 2.357 2.142 1.915 2.144 2.065 1.986 1.971 2.073 2.257 2.726 3.630 2.858 3.122 3.079 2.447 1.687 1.319 1.470 1.671 1.818 1.897 3.054 2.925 2.489


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MES DE AGOSTO Horas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Demanda Elctrica (kW) 1.684 1.538 1.381 1.398 1.342 1.288 1.280 1.318 1.081 1.680 2.303 2.188 2.370 2.350 1.914 1.583 1.034 985 1.115 1.216 1.270 1.960 1.878 1.578 Demanda Trmica (kW) 3.004 2.744 2.464 2.495 2.396 2.300 2.285 2.415 1.995 3.057 3.052 3.944 4.267 4.215 3.442 2.856 1.882 1.792 2.040 2.220 2.316 3.523 3.364 2.829


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PGINA 39

MES DE SEPTIEMBRE Horas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Demanda Elctrica (kW) 1.524 1.406 1.282 1.347 1.306 1.262 1.253 1.286 1.017 1.854 2.348 2.080 2.225 2.209 1.862 1.457 1.027 1.263 1.366 1.448 1.490 1.954 1.889 1.650 Demanda Trmica (kW) 1.483 1.370 1.253 1.314 1.275 1.233 1.225 1.388 1.133 1.928 2.400 2.112 2.250 2.201 1.870 1.484 1.077 1.302 1.432 1.511 1.550 1.958 1.864 1.636


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MES DE OCTUBRE Horas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Demanda Elctrica (kW) 1.326 1.253 1.173 1.124 1.098 1.068 1.063 1.082 1.104 1.594 1.944 1.981 2.100 2.177 2.172 2.087 1.902 1.868 1.320 1.285 1.303 1.436 1.444 1.294 Demanda Trmica (kW) 903 855 802 768 751 732 728 812 852 1.180 1.413 1.431 1.510 1.544 1.541 1.487 1.364 1.335 987 963 974 1.033 1.021 920


1. MEMORIA


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MES DE NOVIEMBRE Horas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Demanda Elctrica (kW) 1.221 1.153 1.077 1.032 1.010 983 978 996 1.256 1.707 2.029 2.156 2.263 2.335 2.330 2.288 2.119 2.016 1.510 1.480 1.496 1.505 1.514 1.374 Demanda Trmica (kW) 877 827 773 741 725 706 703 716 902 1.225 1.457 1.548 1.625 1.677 1.673 1.643 1.523 1.447 1.085 1.062 1.074 1.082 1.088 986


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MES DE DICIEMBRE Horas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Demanda Elctrica (kW) 1.294 1.220 1.140 1.094 1.073 1.042 1.037 1.056 1.331 1.809 2.150 2.284 2.399 2.474 2.466 2.425 2.245 2.134 1.598 1.566 1.583 1.596 1.601 1.454 Demanda Trmica (kW) 1.708 1.610 1.506 1.445 1.415 1.376 1.369 1.394 1.758 2.389 2.839 3.015 3.166 3.267 3.257 3.203 2.965 2.817 2.111 2.068 2.090 2.108 2.115 1.920


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3. DESCRIPCIN DE LA INSTALACIN En esta seccin se describirn los elementos principales de la instalacin as como su modo de funcionamiento. 3.1 DETERMINACIN DE LA FUENTE DE ENERGA PRIMARIA Lo primero que necesitamos saber son las necesidades energticas del hospital , las cuales ya las hemos detallado en la anterior seccin. El parmetro ms relevante para la determinacin de la tecnologa a instalar es la relacin calor/electricidad o calor/energa mecnica que ha de ser suministrada para su consumo en los equipos del hospital. En nuestro caso el ratio calor/electricidad resulta de 1,17 que no es muy elevado. Adems debemos saber cul es el estado entlpico al que debemos suministrar la energa trmica. Una fbrica o planta con procesos productivos que requieren vapor de alta presin requerirn unas fuentes de energa trmica de alta entalpa que se corresponde con el uso de una turbina. En nuestro caso sin embargo las necesidades de calor son de baja entalpa y por ello con un motor de combustin interna de gas natural nos sirve. Por lo general un alto ratio de calor/electricidad requerir una turbina mientras que bajos ratios podrn usar motores. 3.1.1 Comparacin turbinas- motores de gas Las ventajas de ambos sistemas se recogen en el siguiente cuadro: AspectoRendimiento mecnico Oxgeno en los gases de escape

Turbina35% 14%

Motor40% 1-2% Medio-bajo y dividido en 2:gases de escape y refrigeracin Medio Medio

Nivel entlpico de la energa Alto y todo en gases trmica remanente Coste econmico especfico Costes especficos de de escape Alto Alto

mantenimiento Flexibilidad potencia Ruidos y vibraciones de entrega de

Malo Alto

Bueno Medio


1. MEMORIA


PGINA 44

Contaminacin atmosfrica

Similares

3.1.2 Caractersticas generales de los motores de gas Para nuestra instalacin hemos optado por instalar 3 motores de gas natural ya que las acometidas de suministro de gas natural ya estn hechas en el hospital y por lo tanto con unas pequeas obras y aadidos podemos aprovechar el suministro. Los motores de gas natural funcionan segn un ciclo Otto quemando gas como combustible. Para el encendido de la mezcla los motores de gas pueden empleados mtodo principalmente: Compresin de la mezcla aire-combustible e ignicin por chispa. Compresin de la mezcla aire-gas e inyeccin de una pequea cantidad de gasleo que al quemar provoca el inicio de la combustin aire-gas. Los motores de gas presentan las siguientes ventajas frente a los motores de gasolina: Dado el alto ndice de octanaje del gas natural comparado con el de la gasolina se pueden emplear relaciones de compresin mucho ms altas que en los gasolina con el consiguiente aumento del rendimiento. Relaciones de compresin habituales de los motores a gas rondan los 12-13 mientras que un gasolina puede trabajar entorno a un 9. Por ello el rendimiento de los motores a gas se sita en 30-38% mientras que los gasolina se sitan en el 33% Al ser un combustible libre de impurezas, el gas natural disminuye muchsimo los riesgos de autoencendido por la presencia de impurezas en la cmara de combustin. El gas natural carece de impurezas por lo que se reducen mucho los costes de operacin y mantenimiento. En el mantenimiento de los motores de gas natural las operaciones ms corrientes son el cambio de bujas a las 3.000 horas aproximadamente, el reglaje de los taqus entre las 10.000 y las 20.000 horas, la revisin general se realiza a las 30.000-40.000 horas aproximadamente y el cambio del motor o reacondicionamiento entero se realiza a las 60.000 horas.


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En el mercado de motores de gas para la cogeneracin se venden mdulos de cogeneracin que incorporan el generador elctrico y la caldera de recuperacin de gases de escape todo acoplado al motor y ensayado en fbrica. La solucin que se adoptado en este proyecto ha sido la de instalar un mdulo de cogeneracin con un generador elctrico de 1019 kWe. 3.1.3 Sistemas de recuperacin de calor En los motores existen tres sistemas de recuperacin de calor. El primer sistema y el principal es el de calor de los gases de escape. Los gases de escape de un motor pueden estar entre los 400 y los 500 C. En la salida de los gases y mediante el uso de una caldera de recuperacin se pueden enfriar los mismos hasta una temperatura de 150-170 C en el caso de los gasolina mientras que los motores a gas pueden reducir las temperaturas de recuperacin hasta los 90-130 C. El limitante principal a esta temperatura es la de la temperatura de roco de los gases. Potencias tpicas recuperadas son del orden de 0,45 kWh por cada kWh elctrico En el agua de refrigeracin del motor se pueden recuperar potencias del orden 0,5-0,8 kWh por cada kWh elctrico. Sin embargo las temperaturas rondan los 70-90 C. Calor recuperado por el sistema de lubricacin del motor y calores recuperados por refrigeracin de la mezcla. Se pueden recuperar pequeas potencias a temperaturas del orden de 80-90 C. En conjunto con los tres sistemas se pueden recuperar del orden de 1- 1,6 kWh por cada kWh elctrico producido. Esto es lo que se llama la relacin de calor-electricidad o RCE. En nuestro motor la relacin de calor electricidad es 1156/1019=1,134. 3.2 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO 3.2.1 Ciclo de la planta de trigeneracin con motor de gas natural La planta que hemos diseado incorpora tres mdulos de trigeneracin con generadores elctricos sncronos de 1019 kWe cada uno con potencias trmicasINSTALACIN DE TRIGENERACIN PARA UN HOSPITAL CON PRODUCCIN DE ELECTRICIDAD, CALOR Y FRO

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recuperables de 1156 kW cada uno (RCE=1,134 cada uno). Las demandas de calor son de baja entalpa con temperaturas del orden de 90- 110 C. Ya que el rendimiento de los motores no disminuye con su tamao (a diferencia de las turbinas) hemos optado por instalar 3 motores para conseguir un funcionamiento modular escalonando la potencia as. En nuestro diseo los motores producen potencia trmica con su funcionamiento que recuperamos en 2 sistemas de recuperacin, uno en los gases de escape y otro en la refrigeracin de las camisas. El calor de alta temperatura de los gases de escape lo aprovechamos en un circuito cerrado que lo entrega o bien a una mquina de absorcin o bien cede el calor en un intercambiador para el circuito principal de agua caliente para acs o calefaccin. En el segundo sistema, el de refrigeracin del motor, el calor lo entregamos a un segundo intercambiador que lo cede al circuito principal de agua caliente para acs y calefaccin. Cuando la potencia trmica del agua de refrigeracin no sea toda requerida se disipar la potencia sobrante en un aeroenfriador (tambin se pueden emplear torres de refrigeracin). En aqullos momentos en que no se necesite tanta potencia de los gases de escape se podr actuar sobre una vlvula en la salida de los gases de escape y enviar los gases sobrantes a la atmsfera.


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3.2.1.1 Esquema de funcionamiento de la plantaMquina de absorcin Agua para climatizacin y acs a 90 C Caldera de recuperacin de los gases de escape Motor de gas natural Intercambiador de calor de los gases de escape (alta temperatura)

Generador elctri

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