Using Onion Diagram for the Reduction of Water and Energy in Cooling Systems J. Martínez, Member IEEE, F. Ireta, J. M. Lozano, M. Picón and C. Rubio Abstract— This paper presents an onion diagram that show a methodology for water and energy reduction in cooling systems. The illustrative form shown through the diagram, allows to implement step by step the methodology concerning to each element that need to be reduced. First it seeks to reduce the water, later the thermal energy, and finally the electric energy. The diagram will allow to the users identify in a simple way the opportunity areas for water and energy savings in cooling systems. Keywords— Process integration, Efficiency, Cost.

Aunado a la aportación mencionada anteriormente, este articulo presenta una forma sencilla de identificar los pasos a seguir para la reducción de los insumos en un sistema de enfriamiento (agua y energía): el uso del diagrama cebolla. La facilidad de la aplicación de esta herramienta se basa en diferentes capas, lo cual corresponde a la aplicación de la metodología según sea el caso. La suma de todas las metodologías aplicadas en el diagrama cebolla, muestra de forma clara la utilización de las técnicas de integración de procesos.

I. INTRODUCCIÓN

L

OS INSUMOS de agua y energía en los sistemas de enfriamientos de agua son esenciales e inciden de forma directa en los costos globales de la industria. Debido a que cada elemento (el agua y energía) generalmente se estudian de manera separada, es indispensable el trabajo en conjunto de diferentes disciplinas para lograr una reducción en el consumo de ambos elementos. De ahí se desprende una gran oportunidad con diversas líneas de trabajo enfocadas a reducir tanto el agua como la energía aplicando diferentes metodologías. Debido a la complejidad de unificar metodologías para reducir el agua y posteriormente reducir la energía térmica y eléctrica o viceversa; es necesario conocer la secuencia de la aplicación de las metodologías para reducir la energía y posteriormente el agua. Debido a la complejidad antes citada, es necesario identificar una ruta a seguir para aplicar paso a paso cada metodología y que su aplicación conlleve a la reducción de forma conjunta del agua y la energía eléctrica o mecánica, según sea el caso. Incluso, en la literatura se encuentran diversos trabajos que se enfocan a reducir de forma combinada el agua y la energía, pero en el caso concreto de esta última, solamente se enfocan a la reducción de energía térmica. Por ello, en este artículo se presenta un caso de integración de reducción de agua y energía, que incluye tanto la energía térmica como la energía eléctrica, siendo ésta una aportación muy importante.

J. Martínez, Universidad de Guanajuato, Departamento de Ingeniería Eléctrica, [email protected] F. Ireta, Universidad de Guanajuato, Departamento de Ingeniería Eléctrica, [email protected] J. M. Lozano, Universidad de Guanajuato, Departamento de Ingeniería Eléctrica, [email protected] M. Picón . Universidad de Guanajuato, Departamento de Ingeniería Química. [email protected] C. Rubio, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Departamento de Ingeniería Mecánica, [email protected].

II. INTEGRACIÓN DE PROCESOS Las técnicas de integración de procesos generalmente se han aplicado en industrias donde se puede recuperar calor, agua u otros insumos de las operaciones de proceso de diversa índole. Esta aplicación se da ampliamente en la industria química, principalmente. Además, su aplicación ha incidido en la integración de diferentes disciplinas para lograr tener éxito en diferentes campos de la industria. Una herramienta de integración de procesos en el ámbito industrial para reducir el consumo de energía térmica es el método “Pinch”; el cual, se puede definir como un procedimiento riguroso basado en el análisis termodinámico de la recuperación de calor entre las corrientes calientes y las corrientes frías, con la combinación de operaciones de un proceso industrial. Esta herramienta de integración de procesos es muy útil empleando intercambiadores de calor, ya que se logra recuperar al máximo la cantidad de calor con la mínima cantidad de intercambiadores de calor. Las técnicas del “Thermal Pinch” fueron desarrolladas a finales de los años 70’s e inicios de los 80’s [1], [2]. Posteriormente, el concepto desarrollado se hizo extensivo a otros insumos industriales, entre ellos el de agua, de ahí nació el concepto de “Water Pinch” a finales de los 80’s. Existen algunos trabajos que han sido enfocados solo hacia la minimización de agua [3] los cuales presentan una rigurosa técnica para minimizar el consumo de este líquido en procesos industriales. En este artículo particularmente, se presenta un caso de estudio donde, además de aplicar el método “Pinch”, se realiza un reacomodo de los intercambiadores de calor para lograr un par de objetivos de forma conjunta: recuperar al máximo el calor y reducir el consumo de agua en el proceso.

Como parte de la integración de procesos es prioritario identificar las operaciones ligadas al uso de calor y la manera de reutilizarlo; obviamente, esto en referencia al "thermal pinch"; esta metodología se aplica en una sección del caso de estudio de este artículo.

III. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO El sistema que se estudia en este artículo se basa en el enfriamiento de agua; esto debido a que, en diversas industrias existe este tipo de sistemas que son necesarios para remover el calor excedente en plantas de proceso. Tal y como se muestra en la Fig. 1, un sistema de enfriamiento típico lo integran una torre de enfriamiento, una de red de intercambiadores de calor o condensadores y un sistema de bombeo. En dicho sistema se involucran diferentes insumos, pero prioritariamente agua y energía (térmica y eléctrica) [4], [5].

IV. DIAGRAMA CEBOLLA El diagrama cebolla es una herramienta muy utilizada en diferentes sectores para representar de manera gráfica una serie de capas que están organizadas de una manera jerárquica. Estas capas representan etapas a distinto nivel jerárquico, donde su estructura es la guía para realizar determinadas acciones con el fin de lograr un objetivo global. La Fig. 2 muestra de forma clara la representación generalizada de un diagrama cebolla constituido por cierto número de capas, desde la capa 1 a la capa i, respetando un orden jerárquico decreciente del centro hacía el exterior. La metodología que se ilustra en el diagrama cebolla se va conformando con la información proporcionada en cada etapa, sin alterar el orden jerárquico de forma rigurosa; es decir, no se puede realizar la etapa 2 sin haber agotado la etapa 1. Con la descripción gráfica que proporciona el diagrama cebolla, se facilita su aplicación metodológica en múltiples casos tal y como se describe en los siguientes párrafos.

Figura 1. Sistema de enfriamiento.

Los sistemas de bombeo y de intercambio de calor se unen con la torre de enfriamiento; por lo que con la integración de estos tres elementos se realizan las diferentes interacciones tanto térmicas como hidráulicas. Por ejemplo, en el caso del sistema de intercambio de calor, entre mayor es la eficiencia de los intercambiadores, el consumo de agua para enfriamiento se ve reducido. Esta interacción directa entre el sistema de intercambio de calor y el sistema de bombeo, influye directamente en el consumo de energía eléctrica debido a que una variación de caudal de agua significa una variación en la carga que tienen que mover las bombas. Otra interacción se basa fundamente en el arreglo de los intercambiadores de calor; en el caso de la Fig. 1, es importante apreciar la configuración de forma paralela, ya que existen además otros tipos de arreglos (en serie y mixtos). El diseño de las redes de intercambio de calor más común en la industria es el paralelo debido a que este tipo de arreglos tiene la ventaja de ser fácil de operar, controlar y además es flexible en función de los requerimientos operativos del proceso.

Figura 2. Representación general de un diagrama cebolla.

Para el caso de estudio de este artículo es necesario retomar los inicios de la aplicación de este diagrama [6]. En el caso de integración de procesos, el diagrama cebolla lo comenzaron a utilizar en los años 80´s y se ha continuado utilizando hasta nuestros días [7-16]. También hay publicaciones que le dan un enfoque heurístico, por ejemplo recientemente, aplicando el diagrama cebolla para unificar una metodología para la eficiencia energética en el ámbito térmico de un proceso kraft de pulpa para papel [17]. Por otra parte, más reciente se ha aplicado el diagrama cebolla para presentar una serie de etapas a seguir para la reducción de emisiones de CO2 [18]. Teniendo como antecedentes los trabajos antes mencionados, es perceptible en éstas referencias la facilidad de la aplicación

del diagrama cebolla en el ámbito de la integración de procesos y de forma más precisa en casos donde se aplican diferentes metodologías de forma secuencial o jerárquica. Una vez que se conoce la forma en que se genera y se utiliza el diagrama cebolla, es el momento de construir y describir los segmentos-capas del caso particular de estudio del presente artículo.

Para la siguiente capa, se considera que hubo una modificación en relación al cambio del área de intercambio de calor ocurrido en la capa anterior del diagrama cebolla; es decir, se redujo la cantidad de intercambiadores de calor ó el área de transferencia de calor. Con la etapa-capa anterior concluida, se tiene también como resultado una reducción del uso de agua de servicio; por lo tanto, el sistema de bombeo se ve afectado. Aquí emerge la última capa del diagrama cebolla; identificación-modificación del sistema de bombeo.

V. CASO DE ESTUDIO A. Diseño del diagrama cebolla del caso de estudio.

De forma resumida y para un uso más sencillo, el primer diagrama cebolla del caso de estudio se muestra en la Fig.3 donde se observan cada una de las capas que lo integran.

Considerando un sistema de enfriamiento de agua y su función de remover el excedente de calor de uno o varios procesos, se busca construir paso a paso un diagrama cebolla con capas que vayan indicando de manera jerárquica la forma de reducir el uso de agua y energía. En la práctica los sistemas de enfriamiento se van construyendo en función de cumplir con su objetivo (remover el exceso de calor) y de las consideraciones económicas de los equipos a utilizar, sin olvidar las restricciones y condiciones de operación de éstos equipos y las limitaciones que pueden darse con los insumos. En la Fig. 1 se ha mostrado los diferentes sub-sistemas que integran un sistema de enfriamiento, que van desde la red de intercambiadores, el sistema de bombeo y la torre de enfriamiento, sumando también los diferentes dispositivos de instrumentación y control. Ya identificados estos sub-sistemas, es preciso ahora conocer los elementos de cada uno de los sistemas; para este caso, son tres los que se consideran: agua, energía térmica y energía eléctrica. Figura 3. Secciones del diagrama cebolla para la reducción de agua y energía.

Para la creación del diagrama cebolla, es necesario identificar cada una de sus capas que irán desarrollando la metodología propuesta a través del gráfico. De forma clara, la primera capa central que debe de llevar seccionada el diagrama cebolla es la identificación de los sub-sistemas de la red de enfriamiento de agua para comenzar a implementar las metodologías; ya que, sin la identificación de éstas no se puede separar los elementos prioritarios ya definidos: agua, energía térmica y energía eléctrica. Posteriormente se define la siguiente capa; la cual se enfoca a revisar las posibles combinaciones que pueden tener los arreglos de intercambiadores de calor para lograr reducir el área de intercambio. Es importante comparar los requerimientos de área superficial de transferencia de calor considerando los objetivos de temperatura del proceso de enfriamiento; es decir, la temperatura del agua a la salida de la torre de enfriamiento y la temperatura de retorno. Por lo tanto, la segunda capa del diagrama cebolla se podría resumir en: sistema de recuperación de calor. Aquí se podría aplicar la metodología de "thermal pinch" para la reducción del área de transferencia de calor; pero éste apartado se tratará en párrafos posteriores.

Figura 4. Secciones del diagrama cebolla con la reducción de los insumoselementos respectivos de la sección.

Teniendo como referencia las tres capas principales mostradas en la Fig. 3 del diagrama cebolla, es necesario crear un nuevo diagrama que ilustre de manera más precisa los detalles a realizar en cada capa, debido a que el primer diagrama solamente ilustra la identificación de los subsistemas y los coloca en la capa correspondiente.

En función de la cantidad de agua que se ha logrado reducir de la etapa anterior se tendrá un panorama más claro de qué tipo de equipo se debe de instalar para lograr reducir al máximo el consumo de energía eléctrica. Al concluir esta etapa se ha logrado alcanzar los objetivos de reducir el consumo de agua y energía.

Para la creación del nuevo diagrama cebolla se retoma la prioridad de reducir los tres elementos prioritarios ya definidos: agua, energía térmica y energía eléctrica. De esta manera, se construye la Fig. 4 que ilustra cada una de las capas.

Finalmente, al tener identificado perfectamente estas etapas-capas se ha integrado el diagrama cebolla en su versión final que se muestra en la Fig. 4.

En la segunda capa se logra la reducción del área de intercambio de calor producto de la aplicación de la metodología "thermal pinch", teniendo como consecuencia la reducción de forma conjunta del agua de servicio. En esta capa se establece la aplicación de alguna metodología que reduzca el área de intercambio de calor; tal y como se ha mencionado en párrafos anteriores, se puede aplicar la metodología heurística del "themal pich", o alguna otra metodología matemática de integración de procesos [8,9]. Al aplicar la metodología "thermal pinch" u otras, se observará un cambio en el arreglo los intercambiadores de calor y en la temperatura de retorno a la torre de enfriamiento; ya que como se sabe, una mayor temperatura de retorno mejora el funcionamiento de la torre de enfriamiento y también incrementa los problemas de incrustación en los equipos intercambiadores de calor. Otra modificación que se puede dar es el arreglo de los intercambiadores de calor según sea conveniente. Con el rediseño que se proponga con el uso de la metodología "thermal pinch" en la red de intercambiadores, se reduce el consumo de agua a expensas de incrementar la temperatura de retorno. Una vez desarrollada la etapa-capa de reducción del área de intercambio de calor y que se ha logrado el objetivo de reducir el consumo de agua de servicio, se puede proceder con la siguiente capa del diagrama cebolla. La siguiente capa tiene como objetivo reducir el consumo de energía eléctrica en el sistema de bombeo con la aplicación de alguna metodología o equipo para la reducción de flujo de agua. La Fig. 5 muestra de forma gráfica tres diferentes maneras de reducir el caudal del agua de servicio: usando una válvula de estrangulamiento, usando un "by-passing" y utilizando variadores de velocidad. La ilustración muestra un gráfico del porcentaje del requerimiento del flujo vs el requerimiento de la potencia; es decir, en función del flujo requerido de agua se consume una determinada cantidad de energía eléctrica. La Fig. 5 da la pauta para referir que el utilizar variadores de velocidad es muy viable en el sentido de la reducción del consumo de energía, pero se requiere realizar un análisis detallado en relación a su factibilidad económica.

Figura 5. Requerimientos de potencia vs requerimiento de flujo en sistemas de reducción de flujo de agua [19].

B. Datos del caso de estudio. Para el caso de estudio se realizó un trabajo en conjunto de manera multidisciplinaria, debido a que se integran las resoluciones de diferentes variables propias de distintas ramas del conocimiento en un caso de reducción de consumo de agua y energía. Se tiene un sistema de enfriamiento de agua de servicio que está compuesto por un grupo de más de 30 intercambiadores de calor, pero al realizar el análisis respectivo; solamente se hizo el rediseño de 8 de estos equipos; los cuales se muestran en la Tabla 1. En esta tabla se detalla el área de intercambio y el flujo de agua que se tiene antes de aplicar la metodología "thermal pinch"; en este caso, solamente se presentan los resultados, debido a que no es caso de este artículo revisar ni aplicar ésta metodología; estos datos son tomados de la literatura [20]. Con una reconfiguración en el arreglo de los intercambiadores se logra pasar del flujo de agua de 57.425 m3/min a tener 28.138 m3/min. Además, se conoce que para el sistema de bombeo de agua se requieren 5 bombas de 373 kW que mueven un flujo total de agua de 144 m3/min dentro de todo el sistema de enfriamiento. Considerando los datos anteriores se procede al análisis del caso y a los resultados.

TABLA I. DATOS DE LOS INTERCAMBIADORES. Número de intercambiador

Área instalada (m2)

Flujo de agua (m3/min)

1 2 3 4 5 6 7 8

279.3 913.1 1452.2 275.3 9.95 27.8 24 54

3.26 13.98 11.65 20.81 0.189 2.0 1.025 4.511

Mínimo flujo de agua calculado (m3/min) 1.021 5.632 11.26 6.68 0.079 0.685 0.287 2.494

57.425

28.138

Total

VI. RESULTADOS De los datos obtenidos en los párrafos anteriores se ha logrado reducir la cantidad de área de intercambio de calor con una reconfiguración en el arreglo original de intercambiadores logrando reducir el volumen de agua total de 144 m3/min a 115.862 m3/min. Ahora es el momento de conocer cuál es el caso que aplica para la reducción del consumo de energía eléctrica. Por ejemplo, lo más sencillo y a primera vista es lograr desconectar y que deje de operar una bomba; así, el resto de las 4 bombas continuarán operando de manera normal a plena carga satisfaciendo los requerimientos de agua de servicio y logrando los objetivos de temperatura del proceso. Otra opción que se pueda dar, es el hecho de que sigan operando las 5 bombas e instalar un sistema que regule el flujo total a un 80%. Los dos casos anteriormente mencionados necesitan de un análisis tecnoeconómico que sustenten la mejor opción en función del consumo de energía eléctrica. En la Tabla 2, se presenta el caso de la operación de 5 bombas operando al 80%, lo que indica que se estudia primeramente el caso del consumo de energía eléctrica que se tendría durante un año considerando un total de 8000 horas de operación para cada uno de los tres métodos de reducción de flujo de acuerdo a la Fig. 5. La Tabla 2 también considera los costos de la energía a lo largo del año. Por otra parte, la Tabla 3 muestra un comparativo de alternativas para lograr el objetivo de abastecer el agua de servicio indicada según el cálculo realizado; estas dos opciones son las que se han mencionado en párrafos anteriores: usando variadores de velocidad para operar las bombas de agua al 80% o utilizar 4 bombas que operen al 100 %. Tal y como se ha mencionado, las dos opciones mostradas en la Tabla 2 logran bombear el agua necesaria para el sistema de enfriamiento del proceso, pero existe una diferencia en el consumo de energía. Esta diferencia se da en función de la operatividad de las bombas y la eficiencia que se tiene al manejar diferentes porcentajes de carga tal y como se muestra en la Fig. 5.

TABLA II. CASO: OPERACIÓN AL 80 % CON 5 BOMBAS. Consumo de energía anual Costo anual de energía

By pass

Válvula

13,395,200 1,277,500

13,984,000 1,333,654

Variador de velocidad 7,654,401 730,000

TABLA III. COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS Opciones 5 usando variador de velocidad ( 80 % de operación ) 4 bombas al 100 % de operación

Consumo de Costo anual energía al año ($, USD) (kWh) 7,654,401 730,000 11,776,000

1,123,076

Es muy clara la diferencia de costos y de consumo de energía que se da en las dos opciones, la más viable es usando variadores de velocidad y operando las 5 bombas a un 80%. Este resultado ilustra de forma clara lo importante que es el análisis tecnoeconómico para la implementación de la regulación del flujo de agua de servicio. Otra ventaja que tiene la opción de instalar variadores de velocidad es la flexibilidad de modificar el flujo de agua de servicio en un amplio rango, según lo requiera el proceso; es decir, aumentar o disminuir el 80% que se ha calculado. VII. CONCLUSION En este artículo se plantea el uso de un diagrama cebolla que muestra reglas heurísticas en cada una de sus capas; en éste diagrama se identifican de forma clara la posibilidad de la aplicación de diversas metodologías para reducción del consumo de agua y energía en sistemas de enfriamiento. Usando el diagrama cebolla, se detalla paso a paso su construcción y uso en un caso de estudio. La facilidad del uso de un diagrama cebolla para la implementación de reglas jerarquizadas se presenta a través de un gráfico que va desplegando de forma clara los pasos a seguir en cada etapa del diagrama. Otra ventaja del diagrama cebolla, es que delimita perfectamente el trabajo que se realiza en cada etapa, permitiendo la colaboración interdisciplinaria para lograr los objetivos comunes: en este caso, reducir el consumo de agua y energía. Los resultados mostrados en el caso de estudio indican también la importancia de un análisis tecnoeconómico al implementar cada una de las etapas para revisar la factibilidad de implementación en cada caso. El caso de estudio muestra un sistema de enfriamiento típico considerando su respectiva complejidad al integrar la red de intercambiadores de calor, la torre de enfriamiento y un sistema de bombeo al análisis del caso. Esta complejidad se ve reducida de forma drástica con el uso del diagrama cebolla desarrollado e implementado en este artículo.

REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10]

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Jesús Martínez Patiño Doctorado en Energías Renovables y Eficiencia Energética (2008). Egresado del Master en Ecoeficiencia, Ahorro Energético y Ecología Industrial (20032004) en la Universidad de Zaragoza (España). Egresado de la carrera de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería Mecánica, Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Guanajuato (F.I.M.E.E.) (1997-2002). Su área de interés es la eficiencia energética en el ámbito térmico-eléctrico. Fernando Ireta Moreno es Ingeniero Electricista, Maestría en Electrónica y Control Digital Universidad de Guanajuato, y Doctor en Tecnología Avanzada (CICATA-IPN) Querétaro. Profesor investigador departamento de Ingeniería eléctrica, división de Ingenierías Universidad de Guanajuato. Sus áreas de interés son: Calidad de la Energía,

Electrónica Industrial, Maquinas Eléctricas, Bioingeniería y Alta Tensión. José Merced Lozano García recibió el título de Doctor en Ciencias por el CINVESTAV Unidad Gdl, México, en el año 2011. Desde 2012 trabajo como profesor en el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Guanajuato. Sus principales líneas de investigación se centran en el análisis de dispositivos de compensación y control para redes eléctricas, así como en el estudio de micro-redes. Martin Picón Núñez es profesor del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Guanajuato. Egresado de ingeniero químico por la Universidad de Guanajuato, egresado de la Maestría y Doctorado por la Universidad de Manchester en Inglaterra. Durante su investigación ha desarrollado diferentes técnicas basadas en la integración de procesos. Carlos Rubio Maya. Profesor e Investigador en la Facultad de Ingeniería Mecánica de la UMSNH con doctorado en Eficiencia Energética y Energías Renovables por la Universidad de Zaragoza, España. Cuenta con experiencia en el campo de generación eléctrica, así como cogeneración y trigeneración. Actualmente desarrolla varios proyectos de desarrollo tecnológico relacionados con los recursos geotérmicos de mediana y baja entalpía. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores.