DocsTec-7165

Vista previa del material en texto

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE 
ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY 
División de Ingeniería y Arquitectura 
Programa de graduados en Ingeniería 
CAMPUS MONTERREY 
 
 
 
 
 
Integración Energética mediante la Recuperación 
de Calor de Media y Baja Temperatura para 
generar Refrigeración por Absorción 
 TESIS 
PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA 
OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE: 
 
MAESTRO EN CIENCIAS 
CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA ENERGÉTICA 
 
 
PRESENTADO POR: 
JUAN PABLO VARGAS BAUTISTA 
 
 
 
MONTERREY, N. L. MAYO 2009 
 
Dedicatoria 
 
 
 
 
 
 
A mis padres Félix y Victoria por todo su cariño y apoyo incondicional 
A toda mi familia hermanos, tíos, primos…. 
Que Dios los bendiga 
 
 
 
Agradecimientos 
 
Gracias a Dr. Federico Viramontes por haber confiado en mi persona sin antes haberme 
conocido y darme la oportunidad de hacer realidad un sueño. A mi asesor Dr. Alejandro 
García por compartir conmigo su experiencia y conocimientos y ser un apoyo a lo largo de 
la maestría, a Dr. Osvaldo Micheloud por su confianza y colaboración en el ingreso al 
proyecto Ternium, gracias a Dr. Carlos Rivera, y a todos y cada uno de mis maestros a 
quienes guardo un gran aprecio. 
Gracias a la empresa Ternium a Ing. Ricardo Viramontes, Ing. Juan Antonio Villarreal, Ing. 
Joaquín Ezquivel, Dr. Carlos Lizcano por su confianza y haber compartido conmigo sus 
experiencias, enseñanzas para toda la vida. 
A mis amigos y compañeros dentro y fuera de la maestría, gracias a todos ustedes por 
recibirme con los brazos abiertos y hacerme sentir como en casa y compartir conmigo esta 
experiencia inolvidable. 
Mi más sincero agradecimiento al gobierno de México a través de la Secretaría de 
Relaciones Exteriores SRE quien me dio la oportunidad de realizar esta maestría y me 
apoyó económicamente en este proyecto. 
Al Tecnológico de Monterrey por brindarme la oportunidad de formar parte de esta gran 
institución y darme la oportunidad de conocer personas excepcionales. 
 
Í n d i c e i 
INDICE 
INDICEINDICEINDICEINDICE .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... iiii 
INDICE DE FIGURASINDICE DE FIGURASINDICE DE FIGURASINDICE DE FIGURAS .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... vvvv 
INDICE DE TABLASINDICE DE TABLASINDICE DE TABLASINDICE DE TABLAS ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ viiiviiiviiiviii 
RESUMENRESUMENRESUMENRESUMEN ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ xixixixi 
CAPÍTULO 1CAPÍTULO 1CAPÍTULO 1CAPÍTULO 1................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 1111 
Introducción y Antecedentes: Recuperación de CalorIntroducción y Antecedentes: Recuperación de CalorIntroducción y Antecedentes: Recuperación de CalorIntroducción y Antecedentes: Recuperación de Calor ................................................................................................................................................................................................................................................................ 1111 
1.1 Problema de la Investigación ........................................................................................... 3 
1.2 Interrogantes ................................................................................................................... 3 
Interrogantes Generales: ....................................................................................................... 3 
Interrogantes Específicas: ...................................................................................................... 4 
1.3 Justificación ..................................................................................................................... 4 
1.4 Objetivos ......................................................................................................................... 6 
Objetivos generales ............................................................................................................... 6 
Objetivos específicos .............................................................................................................. 6 
1.5 Limitaciones y Acotaciones .............................................................................................. 7 
1.6 Resultados Esperados ...................................................................................................... 7 
1.7 Resumen de contribuciones al conocimiento esperadas ................................................... 8 
1.8 Marco teórico General ..................................................................................................... 9 
1.9 Recursos necesarios ....................................................................................................... 10 
Recursos Humanos: ............................................................................................................. 10 
Recursos Computacionales: ................................................................................................. 10 
Recursos Bibliográficos: ....................................................................................................... 11 
Recursos Económicos: .......................................................................................................... 11 
1.10 Metodología .................................................................................................................. 11 
1.11 Motivación .................................................................................................................... 13 
1.12 Bibliografía .................................................................................................................... 13 
CAPÍTULO 2CAPÍTULO 2CAPÍTULO 2CAPÍTULO 2........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................15151515 
Recuperación de CalorRecuperación de CalorRecuperación de CalorRecuperación de Calor ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 15151515 
2.1 Criterios de selección del tipo de Recuperación de Calor ................................................. 17 
2.2 Beneficios de la Recuperación de Calor .......................................................................... 18 
Beneficios Directos: ............................................................................................................. 18 
 
Í n d i c e ii 
Beneficios Indirectos: ........................................................................................................... 18 
2.3 Clasificación según la Temperatura para Recuperación de Calor .................................... 19 
2.4 Tipos de Recuperación de Calor que se realizan en la industria ....................................... 21 
ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................... 23 
2.5 Conclusiones .................................................................................................................. 23 
2.6 Bibliografía .................................................................................................................... 24 
CAPÍTULO 3CAPÍTULO 3CAPÍTULO 3CAPÍTULO 3........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 25252525 
Evaluación del Potencial de Recuperación de Calor de Gases de CombustiEvaluación del Potencial de Recuperación de Calor de Gases de CombustiEvaluación del Potencial de Recuperación de Calor de Gases de CombustiEvaluación del Potencial de Recuperación de Calor de Gases de Combustión de un Equipo ón de un Equipo ón de un Equipo ón de un Equipo 
IndustrialIndustrialIndustrialIndustrial ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 25252525 
3.1 Descripción del funcionamiento del equipo .................................................................... 25 
3.2 Obtención de datos técnicos del Equipo ......................................................................... 28 
3.3 Principios Básicos de Combustión ................................................................................... 30 
3.4 Cálculo para evaluar el calor disponible en los gases de combustión .............................. 35 
3.4.1 Cálculo de la reacción química de los Gases de Combustión: ....................................... 35 
3.4.2 Cálculo del Calor de Reacción de la Combustión: ......................................................... 39 
3.4.3 Cálculo de la temperatura de condensación de los gases de combustión ..................... 42 
3.4.4 Cálculo del Calor disponible en los Gases de Combustión ............................................. 43 
3.5 Variación y disponibilidad del Calor Recuperable en el Tiempo ....................................... 45 
3.6 Conclusiones y recomendaciones ................................................................................... 48 
3.7 Bibliografía .................................................................................................................... 48 
CAPÍTULO 4CAPÍTULO 4CAPÍTULO 4CAPÍTULO 4........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 50505050 
Selección del Sistema de Recuperación de Calor: RefrigeSelección del Sistema de Recuperación de Calor: RefrigeSelección del Sistema de Recuperación de Calor: RefrigeSelección del Sistema de Recuperación de Calor: Refrigeración por Absorciónración por Absorciónración por Absorciónración por Absorción ................................................................................................ 50505050 
4.1 Criterio de Selección del tipo de Recuperación de Calor .................................................. 50 
4.2 Opción 1: Agua Caliente o Vapor a Baja Presión ............................................................. 52 
4.2.1 Análisis Termodinámico para la generación de Agua Caliente o Vapor ........................ 53 
4.2.2 Resultados del Modelo realizado en Excel para Agua Caliente o Vapor ........................ 55 
4.2.3 Análisis Económico para Agua Caliente o Vapor Saturado ........................................... 58 
4.3 Opción 2: Generación de Energía Eléctrica ..................................................................... 62 
4.4 Opción 3: Generación de Refrigeración por Absorción .................................................... 64 
4.4.1 ¿Por qué un Sistema de refrigeración por Absorción? .................................................. 65 
4.4.2 Breve explicación del funcionamiento de un equipo de refrigeración por absorción ..... 66 
4.4.3 Análisis Termodinámico del Sistema de Recuperación de Calor para generar 
Refrigeración por Absorción ................................................................................................ 70 
 
Í n d i c e iii 
4.5 Modelación Termodinámica del Sistema de Recuperación de Calor para Refrigeración por 
Absorción para diferentes escenarios....................................................................................... 76 
4.5.1 Introducción de Datos al Modelo realizado ................................................................. 77 
4.5.2 Resultados obtenidos del Modelo Realizado en Excel .................................................. 79 
4.6 Modelación y Estimaciones para diferentes escenarios .................................................. 80 
4.6.1 Variación del Exceso de Aire ........................................................................................ 81 
4.6.2 Variación del consumo del gas natural ........................................................................ 82 
4.6.3 Variación de la Temperatura de salida de Gases de combustión .................................. 83 
4.7 Balance y Distribución de la Energía en el Horno Industrial con y sin Recuperador de Calor 
 ...................................................................................................................................... 84 
4.8 Conclusiones y Recomendaciones .................................................................................. 89 
4.9 Bibliografía ....................................................................................................................89 
CAPÍTULO 5CAPÍTULO 5CAPÍTULO 5CAPÍTULO 5........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 91919191 
Análisis Económico del Proyecto de Recuperación de CalAnálisis Económico del Proyecto de Recuperación de CalAnálisis Económico del Proyecto de Recuperación de CalAnálisis Económico del Proyecto de Recuperación de Calor para Generar Refrigeración por or para Generar Refrigeración por or para Generar Refrigeración por or para Generar Refrigeración por 
AbsorciónAbsorciónAbsorciónAbsorción ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 91919191 
5.1 Planteamiento y análisis teórico del proyecto que se quiere analizar .............................. 91 
5.2 Evaluación de Costos de los equipos e Inversión ............................................................. 94 
5.3 Costos de Operación ...................................................................................................... 95 
5.4 Estimación de los Ahorros que se obtienen del proyecto ................................................. 97 
5.5 Evaluación de la rentabilidad del proyecto ..................................................................... 98 
5.5.1 Criterios de aceptación o rechazo de un proyecto ...................................................... 100 
5.5.2 Toma de decisión ...................................................................................................... 101 
5.6 Consideración del aspecto ambiental ........................................................................... 102 
5.6.1 Bonos de Carbono ..................................................................................................... 102 
5.6.2 Regulación de los Refrigerantes ................................................................................ 103 
5.7 Modelamiento Económico del Proyecto para diferentes escenarios .............................. 104 
5.7.1 Variación de la capacidad de refrigeración ................................................................ 105 
5.7.2 Variación del COP del equipo de refrigeración por compresión .................................. 106 
5.7.3 Variación del costo de la energía eléctrica en el equipo de compresión ...................... 108 
5.8 Conclusiones y Recomendaciones ................................................................................ 109 
5.9 Bibliografía .................................................................................................................. 110 
CAPÍTULO 6CAPÍTULO 6CAPÍTULO 6CAPÍTULO 6................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 111111111111 
Análisis y Balance ExergéticoAnálisis y Balance ExergéticoAnálisis y Balance ExergéticoAnálisis y Balance Exergético del Proyecto de Recuperación de Calor para Generar del Proyecto de Recuperación de Calor para Generar del Proyecto de Recuperación de Calor para Generar del Proyecto de Recuperación de Calor para Generar 
Refrigeración por AbsorciónRefrigeración por AbsorciónRefrigeración por AbsorciónRefrigeración por Absorción .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 111111111111 
 
Í n d i c e iv 
6.1 ¿Qué es Exergía y cuál su importancia? ........................................................................ 111 
6.2 Aspectos importantes de la exergía ............................................................................. 113 
6.3 Estado muerto ............................................................................................................. 113 
6.4 Balances de Exergía para Volumen de Control Abierto ................................................. 113 
6.5 Eficiencia Exergética (segundo principio) ...................................................................... 114 
6.6 Formulas para el análisis energético (volumen de control abierto) ............................... 115 
6.7 Análisis Exergético del Sistema de Recuperación de Calor ............................................ 120 
6.8 Análisis Termoeconómico del Sistema de Recuperación de Calor .................................. 126 
6.9 Modelamiento Exergético del Sistema de Recuperación de calor para diferentes 
escenarios ............................................................................................................................. 132 
6.9.1 Variación del consumo de Gas Natural del Horno industrial ...................................... 133 
6.9.2 Variación del Precio Gas Natural del Horno industrial ................................................ 134 
6.9.3 Variación de la Temperatura de Entrada al Recuperador de Calor ............................. 134 
6.9.4 Variación del COP del Equipo de Absorción ................................................................ 135 
6.9.5 Variación de la Eficiencia del Recuperador de Calor ................................................... 136 
6.9.6 Variación de la Temperatura Ambiente To ................................................................ 136 
6.10 Conclusiones y Recomendaciones ................................................................................ 137 
6.11 Bibliografía .................................................................................................................. 138 
CAPÍTULO 7CAPÍTULO 7CAPÍTULO 7CAPÍTULO 7................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 139139139139 
Conclusiones y Trabajos FuturosConclusiones y Trabajos FuturosConclusiones y Trabajos FuturosConclusiones y Trabajos Futuros ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 139139139139 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Í n d i c e v 
INDICE DE FIGURAS 
Figura 1.1 Mediante la recuperaciónde calor la eficiencia de un equipo puede aumentar hasta en un 
40%...……………………………………………………………………………………..……………………2 
Figura 1.2 Mapa Conceptual de la Metodología que se va a desarrollar ............................................... 12 
Figura 2.1 Sistemas típicos de Recuperación de Calor aplicados a equipos industriales. Fuente [7]
 ................................... …………………………………………………………………………………………16 
Figura 2.2 Equipos industriales con potencial de Recuperación de Calor. Fuente [1] ......................... 20 
Figura 2.3 Tipos y Equipos de Recuperación de Calor. Fuente internet ................................................ 21 
Figura 3.1 Vista en 3D del Horno Industrial (cortesía Ternium S.A. de C.V.) ............................... 25 
Figura 3.2 Vista esquemática del Horno Industrial utilizando el sistema SCADA (cortesía Ternium 
S.A.) ............................................................................................................................................ 27 
Figura 3.3 Vista de los controles principales de Gas y características del sistema SCADA ............ 27 
Figura 3.4 Base de Datos del Horno Industrial (cortesía Ternium S.A. de C.V.) ............................ 28 
Figura 3.5 a) Consumo de gas natural, Nm3/h, b) Temperatura de salida de los gases de combustión, 
ºC, Cortesía Ternium. c) Temperatura ambiente promedio en Monterrey (Julio 2007 – Junio 2008) 
Fuente internet ............................................................................................................................. 29 
Figura 3.6(a) Influencia del exceso de aire y su precalentamiento en la temperatura de los productos 
de combustión. (b) Porcentaje de calor disponible respecto al HHV (High Heating Value) en 
función de la temperatura de los gases de combustión y el exceso de aire. (c) Eficiencia de 
combustión vs temperatura de productos y exceso de aire. (d) Concentración en base seca vs 
temperatura de productos para un exceso de 0%. € 15%. (f) 25%. Fuente [1] ................................ 33 
Figura 3.7 Analizadores de Gases de Combustión. Fuente internet ................................................ 38 
Figura 3.8 Proceso de Combustión del Gas Natural en estado estacionario en un reactor ............... 39 
Figura 3.9 Volumen de Control para el Balance de Energía del Horno Industrial .......................... 40 
Figura 3.10 Temperatura de saturación del agua correspondiente a la presión de vapor ................. 43 
Figura 3.11 Balance de Energía en el Recuperador de Calor ......................................................... 45 
Figura 3.12 Variación del calor disponible en el día. a) Consumo de Gas Natural en Nm3/hr. b) 
Temperatura de salida de los gases de combustión en la chimenea. c) Consumo de Aire en Nm3/hr. 
 
Í n d i c e vi 
d) Variación de la relación Aire – Combustible real. e) Variación del Calor disponible para 
diferentes horas del día ................................................................................................................. 46 
Figura 3.13 Diagrama de flujo general para evaluar el Potencial de Recuperación de Calor ........... 47 
Figura 4.1 Calor recuperable de la chimenea en el día para Tsal = 200 y 150 °C ........................... 52 
Figura 4.2 Modelación Termodinámica para generar Vapor Recalentado realizada en Thermoflex 54 
Figura 4.3 Variación de calor recuperable y temperatura de salida del agua .................................. 56 
Figura 4.4 Esquema de instalación del recuperador (HX) para obtener temperatura de agua 
constante ...................................................................................................................................... 57 
Figura 4.5 Resultados obtenidos del modelo realizado en Excel .................................................... 58 
Figura 4.6 Modelación termodinámica para generación de energía eléctrica en Thermoflex V.17 .. 62 
Figura 4.7 Diagrama del calor disponible y calor recuperado en cada etapa (economizador, 
evaporador, súper calentador) fuente: Thermoflex V.17 ................................................................ 64 
Figura 4.8 Esquema de un equipo de absorción BrLi (Fuente [5]) ................................................. 68 
Figura 4.9 Funcionamiento de un equipo de absorción BrLi – Agua de simple efecto. Fuente: York 
Co. ............................................................................................................................................... 69 
Figura 4.10 Equipo de refrigeración por absorción de simple efecto de la marca York. (fuente: 
catálogo del equipo) ..................................................................................................................... 69 
Figura 4.11 Datos requeridos por el programa Thermoflex V.17 ................................................... 71 
Figura 4.12 Modelación Termodinámica para generar refrigeración por absorción realizada en 
Thermoflex V.17 .......................................................................................................................... 71 
Figura 4.13 Resultados obtenidos de los equipos del sistema de recuperación de calor (Thermoflex 
V.17)............................................................................................................................................ 73 
Figura 4.14 Resultados obtenidos de la variación del flujo de agua caliente .................................. 75 
Figura 4.15 Esquema del horno industrial sin el Recuperador de Calor para calentar Agua ........... 85 
Figura 4.16 Distribución del Calor en el Horno Industrial sin Recuperador de Calor ..................... 87 
Figura 4.17 Distribución del Calor en el Horno Industrial con Recuperador de Calor .................... 88 
Figura 4.18 Esquema de la distribución del Calor de Combustión en el horno Industrial con y sin 
Recuperador de Calor ................................................................................................................... 88 
 
 
Í n d i c e vii 
Figura 5.1 Esquema de los sistemas de refrigeración convencional (compresor eléctrico) y de 
absorción (BrLi-Agua) Fuente[1] ................................................................................................. 92 
Figura 5.2 Diferencias entre el equipo de refrigeración de compresión eléctrico y el de absorción . 93 
Figura 5.3 Regulación de sustancias refrigerantes ODP vs GWP (fuente: Internet) ...................... 104 
Figura 6.1 Diferencia entre a) Energía y b) Exergía .................................................................... 112 
Figura 6.2 Esquema para evaluar la exergía química de un gas ................................................... 116 
Figura 6.3 Esquemas del Horno Industrial y del Sistema de Recuperación de Calor .................... 117 
Figura 6.4 Esquema General del Sistema de recuperación de calor para el Balance de Energía .... 118 
Figura 6.5 Volumen de control para el análisis exergético ........................................................... 123 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Í n d i c e viii 
 
INDICE DE TABLAS 
Tabla 2.1 Recuperación de Calor típico de varios procesos a Alta temperatura. Fuente [1] ......... 19 
Tabla 2.2 Recuperación de Calor típico de varios procesos a Media temperatura. Fuente [1] ....... 19 
Tabla 2.3 Recuperación de Calor típico de varios procesos a Baja temperatura. Fuente [1] .......... 20 
Tabla 2.4 Tabla de dispositivos comerciales y aplicaciones de recuperación de calor en la industria. 
Fuente [2] …………………………………………………………………………………………..22 
Tabla 2.5 Proyecto de Cogeneración (electricidad y vapor) en una Universidad Fuente internet ... 22 
Tabla 2.6 Proyecto de Recuperación de Calor (electricidad y vapor) en la Industria ..................... 22 
Tabla 3.1 Comparación de los datos de diseño con datos de producción. *Evaluado en fecha Abril 
del 2008. Cortesía Ternium S. A. ..................................................................................................29 
Tabla 3.2 Composición del Gas Natural. Fuente [1] ................................................................... 31 
Tabla 3.3 Características físicas de algunos combustibles. Fuente [1] .......................................... 31 
Tabla 3.4 Ecuaciones para reacciones químicas de combustibles Gaseosos Ideales (Hidrocarburos)
 …………………………………………………………………………………………..34 
Tabla 3.5 Ecuaciones de Reacciones químicas para diferentes compuestos del Gas Natural 
(considerando combustión completa) ............................................................................................ 35 
Tabla 3.6 Evaluación del Balance de Masa para el Gas Natural. (a) Masa Total del Gas Natural. (b) 
Masa de Aire. (c) Masa de Gases de Combustión. (d) Balance de Masa Reactivos y Productos ..... 37 
Tabla 3.7 Ecuaciones para el cálculo del Calor de una Reacción Química ................................... 40 
Tabla 3.8 Entalpía Total Reactivos (Gas Natural y Aire) ............................................................. 41 
Tabla 3.9 Entalpía Total Productos ............................................................................................. 41 
Tabla 3.10 Propiedades del Gas Natural, Aire y Gases de Combustión ........................................ 42 
Tabla 3.11 Balance de Masa y Energía liberada en la Combustión del Gas Natural por unidad de 
combustible .................................................................................................................................. 42 
Tabla 3.12 Cálculo del Calor que se puede recuperar de la chimenea por kmol de combustible.... 44 
Tabla 3.13 Calor de los Gases de Combustión que se puede recuperar ......................................... 44 
Tabla 3.14 Equivalencias del consumo de Gas Natural y generación de Productos ...................... 44 
 
Í n d i c e ix 
Tabla 4.1 Ecuaciones para el cálculo de la Temperatura de salida del agua en el Recuperado de 
Calor. ................................................................................................................................... 53 
Tabla 4.2 Datos para la evaluación termodinámica ...................................................................... 53 
Tabla 4.3 Resultados obtenidos ................................................................................................... 53 
Tabla 4.4 Balance de energía del sistema de recuperación de calor (Thermoflex) ........................ 55 
Tabla 4.5 Datos para el cálculo de flujo y temperatura de agua disponible ................................... 57 
Tabla 4.6 Datos para evaluar la factibilidad del proyecto ............................................................. 59 
Tabla 4.7 Ecuaciones para la evaluación económica .................................................................... 59 
Tabla 4.8 Interpretación del VPN (valor presente neto) .............................................................. 61 
Tabla 4.9 Resultados necesarios para determinar la Factibilidad del Proyecto ............................. 61 
Tabla 4.10 Resultados obtenidos del modelo termodinámico de Thermoflex V.17 ....................... 63 
Tabla 4.11 Propiedades de Refrigerantes y Absorbentes (fuente [4]) ........................................... 66 
Tabla 4.12 Valores típicos de COP (coefficient of perfomance) de los sistemas de refrigeración. 70 
Tabla 4.13 Balance de energía del sistema de recuperación de calor (Thermoflex V.17) .............. 74 
Tabla 4.14 Datos para el cálculo de recuperación de calor a partir de la Composición del Gas 
Natural (Opción 1 del modelo) ..................................................................................................... 77 
Tabla 4.15 Datos para el cálculo de Recuperación de Calor a partir de la composición de los Gases 
de Combustión (Opción 2 del Modelo) ......................................................................................... 78 
Tabla 4.16 Datos para el cálculo de la Capacidad de Refrigeración que se puede generar con el 
calor recuperado (para ambas opciones) ....................................................................................... 78 
Tabla 4.17 Ecuaciones para el cálculo de la capacidad de refrigeración para Aire Acondicionado 
AA .................................................................................................................................. 78 
Tabla 4.18 Resultados obtenidos por el Modelo ......................................................................... 79 
Tabla 4.19 Fórmulas para el balance de energía del horno industrial ........................................... 85 
Tabla 4.20 Datos para la evaluación del calor al planchón ........................................................... 86 
Tabla 4.21 Datos para la evaluación del calor aprovechado por el aire de combustión ................... 86 
Tabla 5.1 Costos de los equipos y Costos de Inversión ................................................................ 94 
Tabla 5.2 Costos de Operación de los equipos de refrigeración ................................................... 96 
 
Í n d i c e x 
Tabla 5.3 Ahorros estimados ....................................................................................................... 98 
Tabla 5.4 Datos para el análisis económico ................................................................................. 98 
Tabla 5.5 Datos para convertir unidades ...................................................................................... 98 
Tabla 5.6 Flujo de caja para el análisis de factibilidad del proyecto ............................................. 99 
Tabla 5.7 Resultados obtenidos del análisis económico ............................................................. 100 
Tabla 5.8 Criterios para la aceptación o rechazo de un proyecto ................................................ 101 
Tabla 6.1 Valores de exergía química a 273 K y 1 atm, fuente BEJAN [7] ................................ 117 
Tabla 6.2 Ecuaciones para el Análisis Exergético ...................................................................... 119 
Tabla 6.3 Valores de composición molar y entropía del G.N., Aire y G.C. ................................ 121 
Tabla 6.4 Datos para el Balance de Exergía del Sistema de recuperación de Calor ..................... 122 
Tabla 6.5 Datos de exergía para el sistema de recuperación de calor (figura 6.4) ....................... 123 
Tabla 6.6 Análisis Exergético de todo el sistema ....................................................................... 124 
Tabla 6.7 Disposición de la Energía en el Sistema de Recuperación de Calor ............................ 124 
Tabla 6.8 Disposición de la Exergía en el Sistema de Recuperación de Calor ............................ 125 
Tabla 6.9 Destrucción de la exergía en el sistema de recuperación de calor ............................... 125 
Tabla 6.10 Costos de Inversión y operación .............................................................................. 128 
Tabla 6.11 Valores de Z ............................................................................................................ 128 
Tabla 6.12 Costo del flujo de exergía ........................................................................................ 130 
Tabla 6.13 Análisis termoeconómico para cada equipo del sistema de recuperación de calor ..... 131 
 
 
 
 
R e s u m e n | x i 
 
RESUMEN 
Un caso de estudio de Análisis de Recuperación de Calor es realizado en un horno industrial que 
consume gas natural para determinar la capacidad de refrigeración por absorción que se puede 
generar para aire acondicionado, se analiza otras posibilidades de recuperación de calor como 
generación de electricidad y generación de vapor y agua caliente; se utiliza como fuente de 
energía el calor de los gases de combustión que se desperdicia por la chimenea del horno 
industrial;pensando en una integración y ahorro energético que se puede realizar en la industria. 
Se evalúa la parte térmica y económica de todos los equipos (recuperador de calor, equipo de 
absorción, torre de enfriamiento, etc.). Aparte de realizar el análisis convencional de energía, se 
considera también el análisis en términos de exergía, para evaluar la eficiencia de todos y cada 
uno de los componentes y para identificar las pérdidas y destrucción de exergía en cada uno de 
los equipos. Se mostrara la forma y procedimientos que se puede realizar para evaluar el potencial 
de recuperación de calor de un equipo industrial, así como las limitantes que se deben considerar. 
Los resultados presentados resaltan la importancia de los análisis de energía y exergía junto con la 
parte económica. Asimismo esta metodología considera el impacto ambiental favorable que se 
puede obtener de realizar proyectos de este tipo. Todo lo anterior mencionado permitirá determinar 
la rentabilidad y factibilidad del proyecto. 
Para cada capítulo se presenta una breve introducción del contenido, conclusiones y bibliografía. 
La tesis está organizada siguiendo una metodología desarrollada que será usada a lo largo de la 
misma como un procedimiento a seguir para evaluar un proyecto de recuperación de calor. Se 
hace una introducción de los procesos de recuperación que se aplican convencionalmente en la 
industria. En el capítulo 3 se evalúa el potencial de recuperación de calor de los gases de 
combustión que salen por la chimenea. En el capítulo 4 se evalúan las posibles opciones de 
recuperación de calor que se puede obtener: electricidad, vapor y refrigeración por absorción, 
dando más énfasis a la generación de refrigeración que puede ser utilizada para aire 
acondicionado o para calefacción; se analiza la parte termodinámica y económica de cada opción. 
En el capítulo 5 se desarrolla a detalle el análisis económico para el sistema de recuperación de 
calor para generar refrigeración por absorción. En el capítulo 6 se realiza el análisis exergético y 
termoeconómico del sistema de recuperación de calor por absorción. 
Los resultados presentados fueron modelados en Excel 2003 con macros de Visual Basic, la 
validación fue realizada con el programa Thermoflex V.17 (licencia estudiantil). 
 
 
C a p í t u l o 1 | 1 
 
 
CAPÍTULO 1 
Introducción y Antecedentes: Recuperación de Calor 
 
 
 
Hoy en día todos sabemos la importancia que tienen los recursos energéticos en 
especial los recursos no renovables como son los combustibles fósiles y su impacto 
tanto ambiental como económico que afecta a todos los países del mundo y a todos los 
niveles sociales y más aun a la gente con menos recursos económicos. A nivel 
industrial las empresas están conscientes de este hecho que también los afecta y que 
han visto la necesidad de hacer mejoras en sus procesos para hacer más eficientes sus 
costos con el objetivo principal de reducir el consumo de combustibles fósiles y 
directamente reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero. 
En México se han hecho estudios e investigaciones que pronostican que empezara a 
tener problemas energéticos dentro de diez años debido a varios factores como son la 
baja de capacidad de producción, la falta de políticas de integración energética y la 
falta de exploración de petróleos. Ante esta situación es importante que como 
ingenieros estemos conscientes de este hecho y que empecemos a tomar las acciones 
necesarias para mitigar el problema. 
El ahorro y uso eficiente de la energía deben ser uno de los principales estandartes de 
los proyectos y trabajos que vayamos a realizar como Ingenieros Energéticos; tratar 
de pensar en desarrollo sustentable debe ser una de las metas; preservar nuestras 
reservas y mejorar nuestro ambiente son un aporte muy importante que debemos 
lograr. 
Muchas empresas industriales se han visto en la necesidad de desarrollar e 
implementar proyectos que mejoren sus procesos para hacer más eficientes sus 
equipos con el objetivo principal de reducir el consumo de energéticos (electricidad, 
combustibles fósiles), todo con el objetivo de hacer más rentable el negocio; además 
que están obligadas a cumplir con las normas ambientales que se rigen en el sector 
Se hace una introducción de los sistemas de recuperación de calor y el porqué del interés en 
desarrollar este proyecto, el marco teórico general, los objetivos, resultados esperados y 
motivaciones. Se presenta la metodología que se va a utilizar a lo largo de la tesis. 
C a p í t u l o 1 | 2 
 
 
mediante el ahorro de energéticos, la obtención de bonos de carbono (como un plus) al 
reducir las emisiones de gases de efecto invernadero incentiva a los empresarios en 
invertir en tecnologías cada vez más limpias y eficientes. En este contexto dentro de 
un mercado cada vez más globalizado la misma competencia obliga a las empresas e 
industrias a tomar cartas en el asunto. 
Los gobiernos e instituciones y organismos no gubernamentales como son el Protocolo 
de Kyoto, Banco Mundial, etc. tienen mecanismos que fomentan y apoyan a las 
industrias para llevar a cabo proyectos que logren reducir su consumo energético y que 
tenga un impacto ambiental, a nivel internacional las industrias que tengan este 
compromiso y lo estén llevando a cabo tienen mejor acogida, reconocimiento e 
incentivos. 
 
Figura 1.1 Mediante la recuperación de calor la eficiencia de un equipo puede aumentar hasta 
en un 40% 
Viendo toda esta problemática en la figura 1.1 se muestra como se puede mejorar la 
eficiencia de un equipo al recuperar el calor remanente en la chimenea que se elimina 
en los procesos térmicos de muchos equipos industriales; este desperdicio de calor 
puede ser muy bien aprovechado para generar otras formas de energía que sean de 
beneficio y utilidad para una industria en particular de acuerdo a sus necesidades. 
La Recuperación de Calor es un tema que está ampliamente desarrollado y de la cual 
se tiene bastante información pero de manera muy general, son los países europeos y 
los japoneses los que más aplican los procesos de recuperación de calor, EEUU empezó 
C a p í t u l o 1 | 3 
 
a hacerlo a partir de la gran depresión en Latinoamérica Brasil, Chile y México la están 
empezando a implementar aunque esto se ve mayormente en los equipos de 
generación eléctrica (Turbinas a Gas). A nivel industrial mayormente se recupera el 
calor desperdiciado para el uso del mismo equipo como el precalentamiento del aire 
antes de la combustión en hornos, reactores, etc.; calentamiento del agua en los 
calderos, etc. Aun después de esto se puede todavía aprovechar el calor remanente 
para generar otro tipo de energía que se necesita en la planta industrial (electricidad, 
refrigeración, etc.). 
1.1 Problema de la Investigación 
El problema central que se tiene es el desperdicio de calor que se elimina por las 
chimeneas de equipos industriales tales como calderos, hornos, reactores, etc. Cuyas 
temperaturas de salida son relativamente bajas (200 – 500°C) y la falta de 
herramientas y metodologías que permitan evaluar y determinar proyectos de 
recuperación de calor que sean factibles de realizar de acuerdo a las necesidades de la 
empresa o industria en particular. 
Actualmente en México se ha podido apreciar que no hay muchas industrias que 
recuperen el calor disponible que se tienen a la salida de las chimeneas de los equipos 
industriales, en especial cuando estas tiene temperaturas relativamente bajas y 
aunque conocen que ese calor perdido es “dinero que se tira” no evalúan la magnitud 
de estas pérdidas de una manera adecuada y por ende no ven el potencial económico 
que se puede tener, además del beneficio ambiental que esto conlleva. Se podría decir 
que es un campo que no ha sido muy explotado y que por las condiciones económicas 
y energéticas actuales presentan una gran oportunidadde desarrollo. 
1.2 Interrogantes 
Interrogantes Generales: 
→ ¿Existen empresas en México que cuenten con la tecnología y herramientas 
necesarias para llevar a cabo proyectos de Recuperación de Calor? ¿Y en otros 
países? 
→ ¿Con qué información se cuenta?, ¿ya se ha hecho este tipo de análisis 
anteriormente? 
 
C a p í t u l o 1 | 4 
 
 
→ ¿Es innovador?, ¿es un aporte para el conocimiento? 
Interrogantes Específicas: 
→ ¿Cómo podemos determinar el potencial de recuperación de Calor de un equipo 
industrial en específico de la chimenea? 
→ ¿Qué tipo de energía podemos recuperar de los gases de combustión que salen de 
las chimeneas? 
→ ¿Cómo se evalúa el diseño y calculo de intercambiadores de calor para generar 
vapor a partir de gases de la chimenea? 
→ ¿Cómo debería estar dispuesta la planta para tener una Integración Energética? 
→ ¿Cómo debe ser la metodología para resolver problemas de este tipo? 
1.3 Justificación 
Las industrias son grandes consumidores de recursos energéticos como gas natural y 
energía eléctrica entre otros, estos son consumidos por equipos industriales que 
realizan diferentes funciones y procesos; se tienen calderos, hornos, reactores, 
turbinas a gas, motores reciprocantes, etc. Como sabemos estos equipos cuentan con 
eficiencias de 30 a 60 % dependiendo del modelo del equipo y la tecnología utilizada, 
es decir que de la energía consumida solo una parte es aprovechada y convertida en 
trabajo útil y el resto es desechado al ambiente en forma de calor; en la mayoría de 
los casos este calor es desechado por medio de chimeneas. 
La mayoría de los equipos ya cuentan con recuperadores de calor que precalientan el 
aire que entra en la combustión con el gas natural u otro combustible. Aun así los 
gases de combustión que salen de estos recuperadores todavía pueden ser utilizados 
pensando en una integración energética, es decir se pensar en las necesidades 
energéticas de la planta en general (frío, calor) y no solo del equipo. El calor que sale 
de estas chimeneas después del recuperador todavía puede ser aprovechado; por 
ejemplo para producir vapor, agua caliente, aire caliente, etc. que se pueden utilizar 
dentro de la planta para otros procesos que no se relacionen con el equipo, por 
ejemplo para equipos de generación de electricidad, refrigeración para aire 
acondicionado, agua caliente para la sección de cocina, duchas, etc. 
Al aplicar proyectos de recuperación de calor se pueden obtener beneficios como: 
aumento de la eficiencia del equipo en cuestión, ahorros en consumo de energéticos 
(gas natural, electricidad, etc.). 
C a p í t u l o 1 | 5 
 
 
Como los gases de combustión de la chimenea son la fuente principal de energía; estos 
proyectos tienen un impacto ambiental importante porque se deja de utilizar un 
combustible fósil para generar ese calor y pueden aplicar para recibir el beneficio de 
Bonos de Carbono como Mecanismo de Desarrollo Limpio. 
Los gases de combustión que se elimina de los diferentes equipos industriales 
(turbinas de gas, motores de combustión interna a gas o diesel, calderas de vapor, 
aceite, etc., hornos o cualquier equipo que realice procesos de combustión) presentan 
hoy en día una creciente oportunidad económica, además que cada vez son más 
regulados por los organismos de medio ambiente de cada región o país. Esta ventaja 
económica de recuperación de calor depende fuertemente de la disponibilidad y costo 
del combustible que utiliza el equipo térmico. Obviamente, los ahorros de la 
recuperación de calor aumentan con el aumento del costo de combustible. Los costos 
de combustible que se ahorran deben ser comparados al capital de inversión, 
amortización, mantenimiento, costos de operación, impuestos, y cualquier otro costo 
que se necesite para la operación del equipo de recuperación de calor mediante un 
análisis económico del proyecto. 
Proyectos de recuperación de calor no reducen la emisión de gases de efecto 
invernadero por sí mismos, pero sí indirectamente, por ejemplo cuando se recupera 
calor para generar agua caliente que reemplace el uso de un caldero que consume gas 
natural como fuente de energía; entonces se deje de utilizar el combustible que genera 
gases de combustión que son desechados al ambiente. Un equipo de recuperación de 
calor intenta recuperar simplemente el máximo calor posible que se puede extraer de 
los gases de combustión que salen por la chimenea y utilizarla en la forma más útil que 
sea posible, dependiendo de las necesidades de la planta. 
Los productos de combustión de varias fuentes de calor varían en función a la entrada 
de combustible, la composición del combustible y características de la combustión 
(exceso de aire). La consideración de estas variables es importante para el diseño y 
selección del equipo de recuperación de calor, para evitar efectos corrosivos de 
elementos nocivos en los productos de combustión. Los elementos típicos que se 
pueden encontrar en los productos de combustión son: Dióxido de Carbono, Nitrógeno, 
Oxigeno, Vapor de Agua, partículas sólidas (cenizas), NOx, SOx. 
Los problemas que se pueden ocasionar al recuperar calor de los gases de combustión 
es la formación de ácidos debido a la condensación del agua y la presencia en bajas 
C a p í t u l o 1 | 6 
 
 
cantidades de SOx, otro de los mayores problemas es la presencia de cenizas que se 
adhieren al recuperador de calor disminuyendo la transferencia de calor por lo que 
deben ser removidas periódicamente mediante sopladores de aire o vapor, la mayor 
parte de las cenizas se precipita a la parte inferior mientras que el resto debe ser 
atrapado. Algunas de estas sustancias nocivas son Dióxido de sulfuro, Oxido Nítrico, 
Fluoruro, Bromuro de Hidrogeno, Amonio. 
Se debe considerar las normas ambientales que regulan las emisiones de gases de 
combustión como la cantidad máxima permisible en ppm de NOx, SOx y CO, para el 
diseño del equipo de recuperación de calor. 
1.4 Objetivos 
Mediante un estudio y análisis de un caso muy particular de recuperación de calor de 
gases de combustión que se elimina y desperdicia por las chimeneas, se pueden 
mencionar objetivos generales y objetivos específicos. 
Objetivos generales 
→ Aprovechar el calor que se tiene en la chimenea de un equipo Industrial. 
→ Determinar áreas de oportunidad en una industria considerando la integración 
energética. 
→ Desarrollar una metodología para evaluar un proyecto de recuperación de calor. 
→ Proporcionar información necesaria para poder realizar este tipo de proyectos, 
referencia bibliográfica, base de datos, páginas en internet, artículos, etc. 
→ Desarrollar herramientas de cálculo computacionales que me permitan evaluar 
correctamente el potencial de recuperación de calor. 
Objetivos específicos 
→ Desarrollo de un modelo en Microsoft Excel utilizando la plataforma de Visual Basic, 
para evaluar estimaciones de recuperación de calor de gases de combustión a la 
salida de una chimenea, evaluar ahorros (combustible, electricidad, bonos de 
carbono, etc.) y evaluar la factibilidad del proyecto. Los resultados serán 
comparados con los resultados de programas termodinámicos que existen en el 
mercado industrial (Thermoflex, EES, entre otros). 
→ Aplicación de programas muy potentes en el área de la ingeniería térmica 
(Thermoflex, QTPro, EES, HTRI, etc.) enfocados a evaluar proyectos de 
recuperación de calor, que ayudaran a resolver y analizar los problemas de una 
manera más efectiva en cuanto a tiempo de cálculo se refiere. 
→ Realizar un análisis exergético del equipo con el proyecto de recuperación de calor, 
considerando la parte económica. 
C a p í t u l o 1 | 7 
 
1.5 Limitaciones y Acotaciones 
Los recuperadores de calor son en su mayoría intercambiadores de calor que pueden 
venir en muchas formas dependiendo del tipo de energía que se quiere generar (agua 
caliente, vapor, aire caliente, etc.).Existe una vasta literatura de diseño de 
intercambiadores de calor que pueden ser incluidos en la categoría de recuperación de 
calor y que están ampliamente desarrollados y conocidos por lo que no será tratado en 
esta tesis, solamente se darán las pautas necesarias para considerar la selección de un 
intercambiador de calor (área requerida, diámetro de los tubos, espesor, material, 
etc.) y su estimación económica para proyectos de recuperación de calor. 
El programa desarrollado en esta tesis aplica más que todo a equipos industriales que 
utilicen combustibles gaseosos como el gas natural, si se utiliza otro tipo de 
combustible se debe evaluar el cálculo manualmente y asumir consideraciones 
importantes como la generación de gases de combustión, partículas en la combustión, 
etc. 
Existen muchas formas de utilizar y aprovechar los gases de combustión para calentar 
aire, agua caliente, vapor etc. En esta tesis se verá solamente la recuperación de calor 
para generar vapor y agua caliente y los procesos que se pueden obtener a través de 
esta, dando mayor énfasis a la generación de refrigeración por absorción. 
Para evaluar el equipo de refrigeración se hará énfasis en los equipos de Absorción de 
Bromuro de Litio – Agua de simple efecto ya que existe una gran variedad de equipos 
de refrigeración por absorción de medio efecto, doble efecto, triple efecto que aunque 
no son muy utilizados comercialmente si son convenientes en ciertos casos. 
1.6 Resultados Esperados 
Los resultados que se espera obtener son: 
→ Demostrar que proyectos de recuperación de calor de media y baja temperatura 
son factibles de realizar y que traen beneficios para la empresa a nivel económico y 
ambiental. 
→ Que la metodología que se va a desarrollar resulte ser innovadora y pueda aplicarse 
a las industrias. 
→ Que las herramientas de cálculo que se vayan a desarrollar sean validas y 
aplicables. 
 
C a p í t u l o 1 | 8 
 
 
→ Que se tenga las herramientas disponibles para evaluar proyectos de recuperación 
de calor en diferentes equipos industriales tanto en la parte térmica ingeniería y la 
parte económica. 
Necesariamente en un ambiente industrial la recuperación de energía es manejado y 
gobernado por la parte económica, aun si existen mandatos federales o estatales para 
mejorar el uso eficiente de los energéticos, la parte económica seguirá siendo el factor 
determinante. 
El valor económico de recuperación de calor y energía va en función del valor en el 
mercado del ahorro energético que se va hacer, como energía eléctrica, combustibles u 
otra forma de energía. 
Por tanto al proveer de herramientas necesarias y adecuadas para evaluar proyectos 
de recuperación de calor al ingeniero encargado de un proceso de la industria en 
particular se puede esperar que existan proyectos que sean factibles de realizar y que 
traigan beneficios económicos a la empresa. 
1.7 Resumen de contribuciones al conocimiento esperadas 
En un aporte al conocimiento se desarrollara y proporcionara herramientas muy útiles 
para poder determinar la factibilidad de un proyecto de recuperación de calor en 
particular aplicada a la industria siderúrgica (Ternium S.A.) desde la parte de 
ingeniería hasta la económica, especialmente diseñada para equipos de consumen gas 
natural como combustible. Se tendrá información y referencia bibliográfica necesaria 
para todos aquellos ingenieros que quieran estar inmersos en este campo. También se 
pretende que la metodología a seguir para poder evaluar proyectos de recuperación de 
calor sea innovadora. 
Lo que se quiere lograr es contribuir al sector industrial con metodologías y 
procedimientos que se deben realizar para evaluar la factibilidad de un proyecto de 
recuperación de calor considerando las necesidades energéticas en particular 
incluyendo una integración energética. 
La innovación en la presente tesis se centra en la parte de la integración energética 
que se quiere alcanzar como una forma diferente de ver a la empresa en un todo 
haciendo una mejor distribución y ubicación de los diferentes procesos y recursos 
energéticos que se vayan a utilizar en un proceso industrial. La forma de plantear y 
C a p í t u l o 1 | 9 
 
evaluar la factibilidad del proyecto tomando en cuenta la exergía resulta también un 
aporte al conocimiento. 
1.8 Marco teórico General 
Se tiene la referencia bibliográfica necesaria para poder llevar a cabo esta tesis, 
existen trabajos de recuperación de calor mayormente en equipos de turbinas a Gas 
donde se tiene mayor potencial de recuperación de calor (Cogeneración y 
Trigeneración) y que esta bastamente desarrollado por lo que este caso no será 
tratado en esta tesis. 
Los sistemas de recuperación de calor pueden reducir costos de operación, reduce la 
necesidad de nuevos generadores eléctricos, y tal vez, algo más importante, reducir la 
carga eléctrica en los sistemas de transmisión. Se debe tomar muy en cuenta que 
países en desarrollo (donde la energía eléctrica y otros energéticos es creciente y las 
líneas de distribución eléctricas están saturadas) aplican tecnologías de recuperación 
de calor. Considerando y evaluando económicamente la pérdida de calor que se 
producen en equipos que funcionan casi año redondo se ha visto que se pueden 
desarrollar proyectos de recuperación de calor de una manera viable y auto 
sustentable. 
Los proyectos de recuperación de calor están mayormente clasificados en tres grupos: 
1. Recuperación de calor Alta Temperatura: la combustión de combustibles 
hidrocarburos pueden producir gases de combustión a altas temperaturas en el rango 
de 1,300 a 700 °C en la salida de la chimenea, se utiliza aire secundario para controlar 
la temperatura y proteger el equipo. Mayormente se genera vapor a alta presión que 
puede ser utilizada en procesos o en turbinas a vapor (trabajo mecánico). 
2. Recuperación de calor Media Temperatura: las temperaturas que se desperdician y 
eliminan al ambiente están en el rango de 600 a 230 °C, su pueden generar vapor o 
agua caliente a baja presión. 
3. Recuperación de calor de Baja Temperatura: las temperaturas de los gases de 
combustión de estos equipos oscila entre 200 y 60 °C la recuperación de calor resulta 
casi nula pero aun así se puede generar agua caliente (40 °C) a baja presión y caudal. 
 
C a p í t u l o 1 | 10 
 
 
Los productos de combustión poseen una energía térmica de acuerdo a su 
temperatura. Esta energía o calor disponible Qdisp., entendido como la cantidad de 
energía que puede ser convertida en energía útil o trabajo útil, es tanto mayor, entre 
más fríos salen los gases de combustión del proceso de calentamiento de una carga, lo 
que indica un aprovechamiento notable de la energía térmica. El gas natural 
caracterizado como metano CH4 y tiene un poder calorífico superior de 55,528 kJ/kg. 
Si se considera constante la temperatura de los humos, se nota la clara influencia 
negativa del exceso de aire, puesto que el calor disponible disminuye debido a que el 
aire que adicionalmente ingresa a la combustión consume parte de la energía química 
transformada. Es por eso que una consideración importante para disminuir la 
temperatura de los productos, y de esta manera, incrementar calor disponible es la 
instalación de recuperadores de calor. Generalmente los recuperadores de calor 
constituyen alternativas con buena viabilidad técnico-económica. La limitación para 
reducir la temperatura de los humos es la formación de acido sulfúrico al condensar los 
gases de combustión debido al descenso de temperatura, pero con el gas natural este 
inconveniente no tiene mucha importancia. 
1.9 Recursos necesarios 
Se debe aclarar que esta tesis esta siendo realizada con la colaboración de la empresa 
Ternium, quien está facilitando recursos humanos y recursos económicos para llevar a 
buen término el proyecto, con la idea de realizar un aporte al sector industrialen 
general y no solo de la empresa. 
Recursos Humanos: 
Para esta tesis se cuenta con un asesor en Ternium S.A. y un asesor de parte del 
Tecnológico de Monterrey, se cuenta con la colaboración de los operadores de los 
equipos industriales quienes facilitan la información y explicación del comportamiento 
del equipo, dedicación de 15 horas a la semana por parte del tesista. 
Recursos Computacionales: 
Se cuenta con programas computacionales necesarios para llevar a cabo esta tesis, 
entre los programas que se van a utilizar están: Excel, Word, Thermoflex V.17 
académico, QTPro2, EES académico, HTRI. Se cuenta con internet y acceso a la base 
de datos de los equipos industriales que son monitoreados en Ternium S. A. 
C a p í t u l o 1 | 11 
 
Recursos Bibliográficos: 
Se cuenta con la Biblioteca del Tecnológico de Monterrey, se tiene a disposición 
artículos y revistas de ingeniería como ASHRAE journal, ProQuest Science Journals, 
Science Direct Journal, entre otros. 
Recursos Económicos: 
Ya que el proyecto será más de investigación y desarrollo, no se necesita de una 
inversión significativa además que se cuenta con todo el apoyo logístico, la empresa 
Industrial Ternium S. A. apoya económicamente el desarrollo de la presente tesis. 
1.10 Metodología 
Uno de los puntos importantes de esta tesis es la metodología que se va utilizar para 
evaluar proyectos de recuperación de calor considerando las características que se 
puede encontrar en una empresa industrial, además de proponer una integración 
energética evaluando todos los pros y contras que se deben considerar para tomar la 
decisión más adecuada. 
1. Toma de Datos del Equipo: se debe considerar que el equipo en cuestión tiene 
horas de funcionamiento al día, mantenimientos programados y consumos de 
combustibles que fluctúan en el tiempo de acuerdo a las necesidades y requerimientos 
del proceso que se lleva a cabo, se debe conocer lo mas que se pueda acerca del 
funcionamiento y comportamiento del equipo, en este caso las personas mas 
adecuadas son los encargados del mantenimiento del equipo. 
2. Análisis Estadístico: se debe tener el registro del consumo de gas natural en el 
día, el exceso de aire para el proceso de combustión, las temperaturas de entrada del 
gas natural y aire de combustión, temperaturas de salida de la chimenea de por lo 
menos un año para poder establecer el comportamiento del equipo en diferentes 
temporadas. Además es importante considerar la ubicación del equipo, es decir las 
condiciones ambientales del lugar. Para esto se debe recurrir a sensores automatizados 
que permiten regenerar una base de datos en un datalogger. 
3. Análisis Termodinámico: para realizar el balance de energía en el recuperador de 
calor y el tipo de energía que se va a generar, se va a utilizar programas muy potentes 
que ayudan a realizar modelamientos y cálculos de una manera más eficiente. 
 
C a p í t u l o 1 | 12 
 
4. Análisis Económico: es necesario determinar la parte económica del proyecto ya 
que sin ella el estudio quedaría inconcluso y sin la fuerza necesaria para hacer 
atractiva la aplicación de recuperación de calor. 
 
Figura 1.2 Mapa Conceptual de la Metodología que se va a desarrollar 
 
C a p í t u l o 1 | 13 
 
 
1.11 Motivación 
Se debe crear un sentido de innovación en las industrias, tratar que todas las personas 
tengan conocimiento y estén comprometidas con el problema energético que se tiene y 
las implicaciones que esta conlleva; que vean el beneficio de realizar proyectos de este 
tipo y que sean parte importante para la evaluación de proyectos que vayan en mejora 
de un uso eficiente de los recursos energéticos, que se dé la importancia que se 
requiere; considero que de esta manera se podrá lograr encarar proyectos de este tipo 
y que facilitaran el proceso de evaluación. 
1.12 Bibliografía 
[1] ANNMALAI and PURI, Combustion Science and Engineering, CRC Press 2007 
[2] TURNS, Stephen. An introduction to combustion, New York: McGraw-Hill, Inc., 
1996. 
[3] GOLDSTICK Robert, Principles of Waste Heat Recovery, The Fairmont Press, Inc., 
1986. 
[4] BOYEN Jhon L., Practical Heat Recovery, Jhon Wiley & Sons, Inc., 1975. 
[5] KAKAς Sadik, Heat Exchangers: Selection Rating and Thermal Design, CRC Press 
2002. 
[6] PETERS Max Stone, Plant Design and Economics for Chemical Engineers, McGraw-
Hill, Inc., 2004.14 
[7] HEROLD Keith E., Absorption Chillers and Heat Pumps, CRC Press, Inc., 1996. 
[8] CENGEL Yunus, Thermodynamics An Engineering Approach, McGrawHill, Inc., 
2006. 
[9] CENGEL Yunus, Transferencia de Calor y Masa, McGrawHill, Inc., 2007. 
[10] BILLO Joshep E., Excel for Scientists and Engineers Numerical Methods, Jhon 
Wiley & Sons, Inc., 2007. 
[11] BACHARACH. Catalogo: Combustion efficiency, www.bacharach-inc.com. 
[12] SERRANO J. Carlos, Análisis Teórico de la Combustión en quemadores de Gas 
Natural, Scientia et Technica, Universidad de Pamplona, 2005. 
C a p í t u l o 1 | 14 
 
[13] LAZZARRIN Renato, Technical and economical analysis of Heat Recovery in 
building ventilation systems, Applied Thermal Engineering Vol. 18 pp. 47-67, 1998. 
[14] SHUN-FU Lee, Thermoeconomics of lithium bromide/water absorption chillers and 
heat transformers, University of Florida, 1999 
[15] RYAN William, Driving Absorption Chillers Using Heat Recovery, ASHRAE Journal, 
ProQuest Education Journals, 2004. 
 
@Para todos aquellos ingenieros comprometidos con el ahorro energético @ 
 
 
C a p í t u l o 2 | 15 
CAPÍTULO 2 
Recuperación de Calor 
 
 
La Recuperación de Calor constituye una forma de optimización del suministro de la 
energía térmica que conlleva beneficios económicos, energéticos y ambientales. El 
fundamento de esta técnica es la recuperación de calor mediante la instalación de un 
intercambiador de calor en una corriente de gases calientes, cuyo objetivo es absorber 
parte de la energía calorífica de los mismos y transmitírsela a un fluido secundario. 
El modelo y diseño del Intercambiador de Calor (radiación, convección, mixta) varía 
dependiendo de las características de la fuente de calor que se tiene (flujos, entalpías, 
temperaturas de entrada, etc.) y de las necesidades de una instalación industrial. 
Balanceando las energías de las dos corrientes, se puede determinar el tamaño y 
características del intercambiador de calor [1]. 
Para poder encontrar los usos más adecuados de los flujos de calor que se eliminan de 
un determinado proceso, implica contestar preguntas claves como: 
→ ¿Cuáles son las fuentes de calor de desperdicio disponibles? 
→ ¿De cuanta cantidad de calor (energía) se dispone? 
→ ¿A qué temperatura está disponible el calor? 
→ ¿Dónde puede utilizarse el calor? 
→ ¿Cuánta calor se requiere y a qué temperatura? 
→ ¿A qué hora coincide el desperdicio de calor y la demanda del mismo? 
→ ¿Cuál es el grado de recuperación práctico? 
→ ¿Qué porción de calor de desperdicio puede utilizarse? 
→ ¿Cuánto representa económicamente el calor de desperdicio que puede 
utilizarse? 
→ ¿Cuánto necesito invertir para recuperar el calor de desperdicio? 
La existencia de una corriente de calor de desperdicio saliente de un sistema o proceso 
industrial, es una oportunidad para utilizar esta energía en otro tipo de energía de 
menor temperatura, tal como establece uno de los principios básicos de la 
Se menciona criterios y procedimientos para la selección del tipo de recuperación de calor, sus 
beneficios y su clasificación según la temperatura de los gases de combustión. 
 
C a p í t u l o 2 | 24 
2.6 Bibliografía 
[1] CONAE, “Recuperación de Calor de Proceso”, julio 2007, www.conae.gob.mx 
[2] ENERGY EFFICIENCY GUIDE FOR INDUSTRY IN ASIA, “Waste Heat Recovery”, 
2006, www.energyefficiencyasia.org 
[3] ENERGY TIPS – PROCESS HEATING, “Install Waste Heat Recovery Systems for Fuel 
– Fired Furnaces”, September 2005, www.eere.enegy.gov[4] COMPANY ENERGY EFFICIENCY TOOLKIT, “Company Energy Efficiency 
Methodology”, May 2005, www.geriap.org 
[5] S.H. NOIE-BAGHBAN, G.R. MAJIDEIAN, “Waste Heat Recovery using heat pipe 
exchanger for surgery rooms in hospitals”, Applied Thermal Engineering, November 
1999. 
[6] C. CISNEROS, S. CUSTODIO, E. TONGCO, “Waste Heat Recovery from flue gases of 
diesel generating sets”, Promotion of renewable energy, energy efficiency and 
greenhouse gas abatement (PREGA), May 2005 
[7] ERIC A KESSLER, Does Waste Heat Recovery Make “Cents”?, Process Heating, 
August 2004, www.process-heating.com 
[8] G. GONG, W. ZENG, L. WANG, C. WU, “A new heat recovery technique for air-
conditioning/heat-pump system”, Applied Thermal Engineering, February 2008. 
[9] GOLDSTICK Robert, Principles of Waste Heat Recovery, The Fairmont Press, Inc., 
1986. 
[10] BOYEN Jhon L., Practical Heat Recovery, Jhon Wiley & Sons, Inc., 1975.
 
C a p í t u l o 2 | 16 
termodinámica: el calor fluye de un cuerpo caliente a uno más frío. Por ejemplo un 
horno industrial en la siderúrgica consume grandes cantidades de energía para 
calentar el acero a 1,250 °C para luego laminarlo, este horno industrial debe estar a 
una temperatura mayor a 1,250°C por lo que los gases de combustión que salen a 
temperaturas de 600 a 700 °C por la chimenea ya no es útil para el proceso y es 
desechada al ambiente. Sin embargo esta fuente de calor es más caliente que la 
necesaria para otros procesos como vapor saturado para calefacción, refrigeración por 
absorción u otros procesos que la planta necesite. 
Si algo de este calor puede ser recuperado, entonces una considerable cantidad de 
combustible primario puede ser recuperado y se convierte en una fuente utilizable de 
energía para economizar recursos y optimizar el suministro de combustible primario. 
A continuación se presentan algunos sistemas típicos de recuperación de calor: 
 
Figura 2.1 Sistemas típicos de Recuperación de Calor aplicados a equipos industriales. Fuente [7] 
“El Calor cuesta dinero. 
Cualquier cantidad de calor representa una cantidad de dinero. 
No utilizar o aprovechar el calor es pérdida de dinero” 
Se debe tener en cuenta que un factor determinante de un proyecto de recuperación 
de calor es el económico, en muchas aplicaciones el beneficio económico no justifica el 
costo de un sistema de recuperación. Por ejemplo la recuperación de calor de fuentes 
bajas de temperatura (<200°C) está termodinámicamente limitado debido a las 
irreversibilidades del sistema, condensación de los gases, etc. El factor de 
ensuciamiento (fouling factor) de los gases de combustión es otra barrera que afecta a 
 
C a p í t u l o 2 | 17 
los sistemas de recuperación. Por eso es importante analizar cuidadosamente estos 
aspectos para evaluar un sistema de recuperación de calor, además gracias a los 
avances tecnológicos en los materiales ya se tiene un rango más amplio de 
aplicaciones de recuperación de calor. 
2.1 Criterios de selección del tipo de Recuperación de Calor 
Para obtener resultados que sean reales se debe tener mucho cuidado a la hora de 
tomar y evaluar datos, además de tener un conocimiento de las necesidades 
energéticas de la empresa para tener una buena lectura de los resultados que se 
obtienen en el cálculo y evaluación del proyecto de recuperación de calor. 
Por ejemplo en proyectos de recuperación de calor, el intercambio de calor puede 
tomar muchas formas: gas a aire, gas a agua, gas a fluidos orgánicos, gas a vapor, 
etc. Ahora, el vapor o agua caliente a baja presión que se genera, puede ser utilizada 
para aplicaciones de aire acondicionado mediante equipos de refrigeración por 
absorción, también se puede generar vapor a presiones de 3 a 5 bares para procesos y 
vapor a altas presiones (16 a 40 bares) para generación eléctrica o bombas a vapor. 
En esta tesis se tomara como un caso particular la generación de agua caliente y vapor 
a baja presión y temperatura y sus aplicaciones para generara refrigeración por 
absorción. 
La selección del tipo de aplicación de la recuperación de calor que se desperdicia por 
las chimeneas depende de las características de la planta, el proceso que se realiza, los 
recursos energéticos que utiliza y los costos que estos conllevan. Por ejemplo: 
1. Una turbina a Gas Natural Comprimido que se utilizan en lugares remotos o para 
emergencias en caso de apagones de luz o bajas de tensión y en las que no se 
requiere agua caliente o vapor. En este caso en particular se tiene como fluido 
remanente: aire. Un recuperador de aire puede ser utilizado para precalentar el aire 
que entra a la turbina y mejorar la eficiencia del equipo. 
2. Una turbina a gas o un motor reciprocante de combustión interna que genera 
electricidad en un centro comercial, hospital, escuela o industria, puede usar un 
sistema de recuperación de calor para obtener agua caliente o vapor saturado a baja 
presión para utilizarlo en un chiller de absorción para aire acondicionado. 
 
C a p í t u l o 2 | 18 
3. Una turbina a Gas que maneje un compresor centrífugo para refrigeración en una 
planta central de aire acondicionado para edificios, puede utilizar los gases de salida 
para generar vapor a alta presión (16 bares) para manejar un compresor centrífugo a 
vapor para refrigeración y proporcionar capacidad adicional. 
4. De las aguas residuales o basureros que generan gases que pueden ser quemados 
en motores de combustión interna, los gases de combustión que se genera pueden 
utilizarse en recuperadores de calor para precalentar el aire de combustión o producir 
vapor o agua caliente que puede ser aplicado para el mismo tratamiento de aguas 
residuales. 
5. Las plantas de plástico producen cantidades importantes de desechos líquidos que 
contiene material combustible. En este tipo de plantas es económico quemar el líquido 
residual y recuperar el calor liberado para un fluido caliente. 
Estos son algunas de las muchas aplicaciones que se puede obtener, recuperando el 
calor que se desperdicia se obtiene generación de vapor saturado, sobrecalentado, 
agua caliente, calentamiento de fluidos orgánicos, aire caliente, etc. El tipo de 
recuperación más apropiado depende de los requerimientos del proceso que se tiene 
en la planta. El tipo de recuperación discutido en esta tesis se centra en aplicaciones a 
partir de generación de vapor y agua caliente. Usualmente el material del equipo de 
recuperación tiene que ser seleccionado de acuerdo a condiciones de presión, 
temperatura y corrosión. 
2.2 Beneficios de la Recuperación de Calor 
Beneficios Directos: 
→ La Recuperación del desperdicio de calor tiene un efecto directo en la eficiencia 
del proceso. Como se mencionó anteriormente esto es reflejado en la reducción 
de consumos y costos de energéticos y del proceso. 
Beneficios Indirectos: 
→ Reducción de Emisiones de CO2 y SOx: al usar el calor de la chimenea para 
producir otro tipo de energía útil se deja de consumir combustibles fósiles que 
contaminan el medio ambiente. 
→ Reducción en Costo de Equipos: al reducir el consumo de combustible, se 
reduce la producción de gases de combustión que resulta en la reducción del 
tamaño de los equipos como ventiladores, chimenea, ductos, quemadores, etc. 
Y por ende una reducción en los costos. 
 
C a p í t u l o 2 | 19 
→ Reducción en consumo de energías auxiliares: al reducir el tamaño de los 
equipos se reduce el consumo de energía eléctrica. 
2.3 Clasificación según la Temperatura para Recuperación de Calor 
A continuación se hace una clasificación general de diferentes procesos y equipos 
industriales donde se puede recuperar el calor de desperdicio según la temperatura de 
salida de gases de combustión. 
 
 
 
 
Tabla 2.1 Recuperación de Calor típico de varios procesos a Alta temperatura. Fuente [1] 
 
 
Descripción Temperatura, °C 
Calderos de Vapor 230-480 
Turbinas a Gas 370-540