El desafío: ineficiencia en el ciclo de refrigeración de una planta química

Una planta química en el sur de España operaba con un sistema de refrigeración por torre que presentaba un consumo energético excesivo y una capacidad de disipación térmica por debajo del diseño original. Las bombas de recirculación trabajaban a velocidad constante, generando picos de presión diferencial que provocaban cavitación en las válvulas de control y un desgaste prematuro de los componentes. Además, el calor residual del proceso se liberaba directamente a la atmósfera sin ningún tipo de recuperación, lo que representaba una oportunidad de mejora energética significativa.

El cliente necesitaba reducir el consumo eléctrico del sistema de refrigeración en al menos un 25% y, al mismo tiempo, aprovechar el calor residual para precalentar agua de proceso, disminuyendo así el consumo de gas natural en los calderines auxiliares. El principal reto técnico era implementar estas mejoras sin detener la producción más de 48 horas.

Nuestro enfoque: análisis termodinámico y simulación CFD

El equipo de T.C.H.C.A. realizó un estudio termodinámico completo del ciclo de refrigeración, incluyendo la caracterización de la torre, el rendimiento de los intercambiadores de calor y el perfil de presión en la red de tuberías. Se utilizó un modelo de simulación CFD (Computational Fluid Dynamics) para identificar los puntos críticos de pérdida de carga y las zonas con mayor potencial de recuperación de calor.

Se evaluaron tres escenarios de mejora: (1) instalación de variadores de frecuencia en las bombas principales, (2) rediseño del sistema de control de presión diferencial con válvulas de equilibrado dinámico, y (3) integración de un intercambiador de calor de placas para la recuperación del calor residual. El análisis económico preliminar mostró un período de retorno de la inversión inferior a 18 meses para el escenario combinado.

Implementación: integración de tecnologías de control y recuperación

La instalación se ejecutó en dos fases durante una parada programada de la planta. En la primera fase, se sustituyeron las bombas de velocidad fija por equipos con variadores de frecuencia, y se instalaron sensores de presión diferencial en los puntos estratégicos identificados en la simulación. El nuevo sistema de control, basado en un PLC con algoritmo PID adaptativo, ajusta la velocidad de las bombas en tiempo real para mantener la presión diferencial óptima en cada demanda de carga.

En la segunda fase, se integró un intercambiador de calor de placas en el circuito de retorno de agua caliente de la torre. Este intercambiador transfiere el calor residual al circuito de agua de proceso, elevando su temperatura de 25 °C a 55 °C. Se instalaron válvulas de tres vías motorizadas y un sistema de by-pass para garantizar la operación segura incluso en condiciones de baja demanda térmica.

• Instalación de 3 bombas con variadores de frecuencia (75 kW cada una).
• Implementación de 12 sensores de presión diferencial y 8 actuadores de válvulas.
• Integración de un intercambiador de calor de placas de 500 kW de capacidad.
• Desarrollo de un sistema de control SCADA con visualización en tiempo real.
• Formación del personal de mantenimiento en la operación del nuevo sistema.

Resultados: eficiencia y sostenibilidad

Tras la puesta en marcha, el consumo eléctrico del sistema de refrigeración se redujo en un 32%, superando el objetivo inicial del 25%. La presión diferencial en la red se mantiene estable dentro de un rango de ±0,2 bar, eliminando los problemas de cavitación y reduciendo las paradas no programadas en un 70%. El sistema de recuperación de calor residual proporciona 450 kW térmicos de media, lo que ha permitido reducir el consumo de gas natural en los calderines en un 28%.

El cliente ha reportado un ahorro anual de 185.000 € en costes energéticos, con un período de retorno de la inversión de 14 meses. Además, la reducción de emisiones de CO₂ asociadas al menor consumo eléctrico y de gas natural se estima en 320 toneladas anuales, contribuyendo a los objetivos de sostenibilidad de la empresa.