PRECALENTAMIENTO SOLAR DE AIRE DE INGRESO A CALDERAS INDUSTRIALES Y SU EVALUACIÓN TÉCNICA - ECONÓMICA

El presente trabajo de título se centra en el precalentamiento solar de aire de ingreso acalderas industriales y su evaluación técnica - económica, para lo cual se estudia y analiza laimplementación de un sistema de calentamiento solar basado en colectores solares de airedenominado sistema de Techo Solar Activo (TSA por sus siglas). Este sistema ha sidoevaluado para determinar su posible implementación en las dependencias del Hospital CarlosVan Buren de Valparaíso, específicamente en la sala de calderas, siendo el objetivo principalla reducción de los consumos de combustible actuales que presentan las calderas.Se han determinado aportes del sistema TSA, en términos de incremento detemperatura, que varían entre 15 - 30°C por sobre la temperatura ambiente dependiendo de laépoca del año. Se destaca que la orientación de las superficies del techo no es la más óptima(orientación Este - Oeste), existiendo pérdidas de radiación solar estimadas en un 15%. Estaspérdidas limitan los incrementos de temperatura al existir menos energía disponible, además,las condiciones arquitectónicas entre la sala de calderas y la torre quirúrgica generan sombrassobre el techo limitando el uso del sistema TSA, por lo cual se han modelado dichas sombras yse determina un tiempo de uso del sistema correspondiente a 2640 [h/año].A su vez, se plantea el uso de un intercambiador de calor de tubo doble a contraflujopara aprovechar el calor del manto ducto gases a chimenea, trayendo consigo un incrementoadicional de la temperatura del aire proveniente del sistema TSA, la disminución de latemperatura de los gases de escape y el consiguiente incremento en la eficiencia de lascalderas debido a la reducción de las pérdidas de energía asociadas a dichos gases.Se proyectan incrementos de eficiencia entre 0,6 - 2,4% en la caldera N°1 (combustibleFuel Oíl N°5) y entre 1,3 - 3,4% en la caldera N°2 (combustible Gas Natural), dependiendo desi se utiliza solo aire precalentado proveniente del sistema TSA o aire precalentadoproveniente del sistema TSA combinado con el intercambiador de calor de tubo doble acontraflujo, siendo esta última configuración la que presenta mejores resultados.Del mismo modo, y como consecuencia de los incrementos de eficiencia, se proyecta unadisminución en el consumo de combustible entre 0,9 - 3,8 [kg/h] en el caso de la caldera N°1 yentre 2 - 5,7 [kg/h] en el caso de la caldera N°2, dependiendo nuevamente del tipo deconfiguración en uso.Desde el punto de vista económico, la implementación del sistema TSA paraprecalentamiento solar de aire de ingreso a calderas posee un costo de inversión de $8.334.046(2,48 UF/m2).Realizada la evaluación económica para un horizonte de 10 años, se han obtenido lossiguientes indicadores para las dos configuraciones evaluadas.Finalmente, a partir de la evaluación económica, se determina que la utilización de unsistema TSA para precalentamiento de aire de ingreso a calderas no es viable por sí solo para serutilizado en calderas que utilizan Fuel Oíl como combustible, sin embargo, si lo es para ser usadoen calderas que utilizan gas natural como combustible. Ello se debe al bajo costo del Fuel Oíl encomparación al costo del gas natural ($310/kg v/s US$1,8/m3), lo cual hace que los ahorros seanmarginales frente a la inversión.La utilización del sistema TSA en conjunto con el intercambiador de calor resultan ser lamejor opción, desde el punto de vista técnico y económico, tanto para calderas que utilizan FuelOíl como para calderas que utilizan Gas Natural como combustible.
 This thesis is focused on the study and analysis of a solar air pre-heating entry toindustrial boilers system implementation, and its economic evaluation and validation. Thestudy is based on solar air collectors heating system called Active Sun Roof, or TSA. Thissystem has been evaluated to determine its possible implementation in premises of theHospital Carlos Van Buren, specifically into the boilers room to lower the current fuelconsumption.Depending on the season of the year, TSA system provides incremental variationsbetween 15-30°C over the environmental temperature. The roof surface orientation is not thebest (east-west orientation), causing an estimated 15% solar radiation loss. These loss ofenergy put a limit to the temperature increase, due to less energy available, besides,architectonic conditions of the zone between boilers room and surgery tower generatesshadows projected over boilers room’s roof. A shadow modelling was performed and anestimated useful time period of 2640 [hours/year] was calculated.At the same time, the use of a double pipe counter flow heat interchanger wassuggested to boost the temperature of the air coming from the TSA system even more, andsimultaneously reduce the temperature of the chimney gases, increasing the efficiency.Depending on two possible configurations, using just the pre-heated air from the TSAsystem or using a combination of TSA and the heat interchanger which presents better results ,projected efficiency growth goes between 0,6 -2,4% in boiler N°1 (Fuel Oil N°5) and between1,3 – 3,4% in boiler N°2 (Natural Gas Combustion).In the same way, and as a result of increased efficiency, it’s projected a decrease in fuelconsumption between 0,9 - 3,8 [kg/hour] for boiler N°1 and between 2 – 5,7 [kg/hour] forboiler N°2, depending again on which configuration is used.Under economic point of view, the use of TSA system for pre-heated air entry in boilersystems, it has an investment cost of $8.334.046 (2,48 UF/m2).Once the economic evaluation for a 10 years threshold is done, the following indicatorswere obtained for both configurations tested:Finally, based on economic evaluation, the use of TSA system for pre-heated air entryis not viable by itself in Fuel Oil based boilers, however it’s viable on Natural Gas basedboilers, this is due the low cost of Fuel Oil compared to Natural Gas ($310/kg v/s US$1,8/m3),making the savings minimal against the investment needed.As a result of this study, the use of TSA system together with a double pipe counterflow heat interchanger is the best option for Fuel Oil and Natural Gas based boilers.