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Nuestra sociedad requiere diversos procesos térmicos para satisfacer necesidades primarias y secundarias como destilación de agua, fabricación de bolsas, generación de electricidad, etc. ¿Cómo definir un proceso térmico? Un conjunto de operaciones donde se usa el calor a diferente temperatura para obtener un producto demandado por la sociedad. Existen diferentes recursos para generar calor, uno de ellos es el uso de los derivados de los combustibles fósiles como petróleo, gas natural y carbón, que son elementales para su activación.
Debemos estar conscientes que, en cada proceso térmico, además de atender una demanda social, se tiene un calor residual como un resultado natural, el cual contribuye a la destrucción de los ecosistemas ya que se desecha directamente al cielo abierto, a caudales de agua o áreas terrestres. El consumo de la energía de un país está en función directa de la cantidad de población y de la educación para el uso del energético. Es decir, podemos tener una población pequeña con un consumo de energía elevado, o una población grande con un consumo de energía bajo. Los países que registraron mayor consumo energético, considerando el consumo mundial en el 2019, fueron China (18.44 %), Estados Unidos (15.67 %), Rusia (10.38 %), Arabia Saudita (4.34 %) e India (3.93 %), mientras que México se ubicó en el lugar décimo quinto de este ranking internacional con un 1.10 %.
Por otro lado, el consumo de energía mundial refleja que solo una parte se transforma en energía útil, mientras que otra en calor residual o de desecho. Un estudio realizado en 2016, para la estimación de calor residual a partir del consumo de energía mundial de 2012, señala que del 100 % de la energía consumida, solo 28.1 % se utiliza para atender las necesidades de la sociedad como industria (15.3 %), transporte (21.9 %), residencial (13.5 %), generación de electricidad (44.8 %) y comercial (4.5 %). La transformación de la energía tiene un impacto ambiental transcendente, ya que se obtienen cantidades de calor residual de 71.9 % y solo el 28.1% satisface la necesidad en cuestión. En otras palabras, la energía aprovechada es casi una tercera parte, y dos terceras partes es calor residual, el cual lastima al medio ambiente si no es aprovechado. Del total del calor residual, el 62.5 % tiene una temperatura por debajo de los 100 °C y es proveniente de la industrial, transporte, generación de electricidad y comercial. Por ejemplo, el sector industrial utiliza el 15.3 % de la energía útil, de los cuales el 16 % es calor residual con una temperatura menor a 100 °C. El uso de fuentes de energía renovables y el aprovechamiento al máximo de las fuentes de energía primaria, debe ser imperante y extensiva para toda la sociedad.
¿Qué es el calor residual?
También es conocido como calor de desecho, es energía con una temperatura superior a la temperatura ambiente, y se obtiene como un resultado natural de la transformación de energía usada en la generación de energía eléctrica, fabricación de carros, elaboración de tortillas, etc. Los datos reportados por organismos nacionales demuestran que, aproximadamente, una tercera parte de la energía total se aprovecha para los procesos de generación de electricidad, transporte, industria, residencial y comercial; mientras que las dos partes restantes es calor residual con temperaturas superiores a la temperatura ambiente.
Algunas consecuencias de desechar el calor residual sobre el medio ambiente son: afectación del cambio climático intensificando el ciclo mundial del agua, inundaciones y sequías cada vez más frecuentes y graves, patrones de lluvia más impredecibles e incremento del nivel de mar. Estos cambios afectan y amenazan a los ecosistemas, a las personas más pobres y vulnerables, a la vez que constituyen un obstáculo importante para el desarrollo económico y social. Por lo tanto, es importante incorporar estrategias que nos ayuden con el almacenamiento y uso del calor residual.
El calor residual lo podemos reusar en forma directa o indirecta para satisfacer otras necesidades primarias y secundarias de la sociedad. Una alternativa para reusar el calor residual con un nivel térmico entre 60 y 100 °C, es el uso de una Bomba de Calor por Absorción (BCA) para tener espacios fríos o calientes.
Clasificación de los sistemas de absorción para enfriar y calentar
Una clasificación de la BCA, se lleva a cabo considerando la temperatura que alcanza un espacio como se describen a continuación:
Tipo I, conocida como BCA Convencional o Sistema de Refrigeración por Absorción (SRA).
Tipo II, identificada como BCA No Convencional o Transformador de Calor por Absorción (TCA).
El calor residual activa el ciclo termodinámico de un SRA para tener una cantidad de calor a una temperatura más baja que el calor suministrado, mientras que el TCA aprovecha el calor residual para tener una cantidad de calor a una temperatura más alta que el calor suministrado. Ambos sistemas térmicos tienen fundamentalmente cuatro intercambiadores de calor para desarrollar los procesos físicos de desorción, condensación, evaporación y absorción, donde un refrigerante y un absorbente (mezcla de trabajo), a diferentes parámetros de operación, es usado. Los intercambiadores de calor son dispositivos usados para transferir calor de un fluido caliente a uno frío a través de una pared debido a una diferencia de temperaturas. Su desempeño individual contribuye al desempeño global del SRA y TCA. Para cuantificar el desempeño de cualquier BCA, necesitamos usar relaciones de calor y temperatura como el Coeficiente de Desempeño (COP), y el aumento o disminución bruto de la temperatura (GTD y GTL).
Tecnología SRA
Estas máquinas térmicas han estado disponibles durante muchos años, pero su penetración en el mercado es limitada por la competencia que tiene los sistemas de propulsión eléctrica de bajo costo. Se utiliza comúnmente en edificios comerciales para aplicaciones de aire acondicionado por su alto rendimiento, pero solo pueden competir en mercados donde la electricidad de bajo costo está disponible. El principal mercado en la actualidad es el Lejano Oriente (China, Japón y Corea del Sur) y Estados Unidos por sus bajas tarifas de electricidad. Las principales mezclas de trabajo usadas en un SRA es bromuro de litio-agua (hasta 5 °C) y amoníaco-agua (hasta -78 °C), debido a sus características físicas y químicas que benefician el ciclo termodinámico. Algunas de las aplicaciones del SRA son acondicionamientos de espacios a temperaturas menores al medio ambiente, conservación de alimentos, fabricación de hielo, etc.
Tecnología TCA
Su aplicación en las industrias del mundo es limitada debido a problemas de alto costo de inversión y período de vida corto. En la actualidad, se siguen investigando estos equipos térmicos para reducir su costo de inversión, incrementar su desempeño de energía y disminuir los problemas de corrosión. Una aplicación que se estudia en el laboratorio es el calor útil para purificación de agua mediante una evaporación de simple efecto. Mientras que un TCA puede desalinizar agua de mar, purificar agua, secar alimentos, precalentar procesos, etc.
Acondicionamiento de espacios mediante un SRA.
Avances del uso del calor residual
Esta tecnología del TCA sigue siendo estudiada en los laboratorios de investigación en varios países como México, debido su potencial prometedor para utilizar el calor residual que tanto daño hace al medio ambiente. El Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas (CIICAp) de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM), tiene un Laboratorio de Ingeniería Térmica Aplicada (LITA), en el cual se han llevado a cabo estudios teóricos y experimentales de diseño, caracterización y optimización de diferentes tipos de intercambiadores de calor no convencionales en forma individual e integrados a un TCA. Existen avances teóricos y experimentales que han demostrado que las nuevas propuestas estudiadas alcanzan mayores eficiencias debido a que las relaciones de área de transferencia de calor/volumen son menores, además de usar componentes duales en una sola coraza.
El calor residual es un tipo de energía implícita en un proceso térmico usado para satisfacer alguna necesidad social. Las fuentes de energía no renovables son principalmente usadas para alimentar los procesos térmicos a cierta temperatura y calor. Nuestro compromiso social es disminuir y aprovechar el calor residual para que no se vierte en forma directa o indirecta a los ríos, áreas terrestres y a la atmósfera, y con ello contribuir en la conservación de los ecosistemas. El desarrollo de equipos térmicos más eficientes y la reutilización del calor residual para satisfacer otras necesidades, ayudan a la reducción de la contaminación ambiental y el uso de combustible fósiles. Las bombas de calor por absorción para enfriamiento y calentamiento, pueden ser activadas usando el calor residual a niveles térmicos entre 60 a 100 °C. El calor útil puede ser aplicado para conservar alimentos, purificar agua, acondicionar espacios, deshidratar productos agrícolas, etc.
Para Saber Más:
Secretaría de Energía. (2020). https://www.gob.mx/sener
Forman C., Muritala I., Pardeman R. y Meyer B. (2016). Estimating the global waste heat potential. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 57, 1568-1579. DOI:10.1016/j.rser.2015.12.192
Varela K. (2023). Estudio experimental de un transformador de calor por absorción con intercambiadores helicoidales múltiples anidados. Tesis Doctoral. Morelos: Universidad Autónoma del Estado de Morelos.
Aldo Márquez-Nolasco. Profesor Visitante, Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Universidad Autónoma de Estado de Morelos. Cuernavaca, Morelos. México.
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Armando Huicochea-Rodríguez. Profesor Investigador, Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Universidad Autónoma de Estado de Morelos. Cuernavaca, Morelos. México.
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