Documento 975470

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MANUAL PARA LA GESTIÓN EFICIENTE DEL
AGUA EN
LA INDUSTRIA ALIMENTARIA
ORGANIZACIÓN DE NACIONES UNIDAS PARA EL DESARROLLO INDUSTRIAL
Viena, 2007
i
© Derecho de autor:
Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial (ONUDI)/
Instituto de investigaciones para la Industria Alimenticia (IIIA)
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datos o transmitido en cualquier forma o medio sin permiso escrito previo de la ONUDI o
del IIIA. La reproducción parcial para uso no lucrativo es permitida siempre que sea
reconocida la autoría de la ONUDI/ IIIA.
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necesariamente reflejan los puntos de vista de la ONUDI o del IIIA. Los autores están
autorizados legalmente para la utilización de diagramas, gráficos, fotos, etc., que
representan empresas/ industrias, procesos y productos.
La mención de nombres de empresas, industrias, procesos y productos comerciales no
implican su reconocimiento por parte de la ONUDI o del IIIA.
La Vicedirectora de la División de Energía y Producción Mas Limpia de la ONUDI, Sra.
Mayra Sánchez Osuna le extiende su más sincera gratitud a todos los que han hecho
posible la elaboración e impresión de este Manual, a las autoridades que lo apoyaron, así
como a los autores del mismo:
Ing. Yeniseis Pérez Fajardo, IIIA
Lic. Michel García Miniet, IIIA
Instituto de Investigaciones para la Industria Alimenticia (IIIA)
Carretera al Guatao, km 3 ½ La Lisa, C. Habana, Cuba
e-mail:
[email protected]
Teléf.:
537-2020919
Organización de Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial (ONUDI)
Viena Internacional Centre, P.O. Box 300, A-1400 Viena, Austria
e-mail:
[email protected]
Teléf.:
431-260260Sitio web: www.unido.org
ii
PRÓLOGO
La Cumbre de Río dio a conocer al mundo la conveniencia de armonizar las necesidades
del ser humano con la preservación ambiental, utilizando de una forma más responsable
los recursos naturales. La generación y el uso de la energía se han convertido en un tema
prioritario en el mundo, debido al agotamiento de los recursos naturales no renovables,
los impactos ambientales asociados y los altos costos de su consumo. Cuba es signataria
de varios tratados internacionales que contribuyen a la protección del medioambiente y se
ha propuesto el reto, en relación al tema de la energía, de tomar la eficiencia energética
como su fuente de energía más barata y menos contaminante.
La industria alimentaria cubana se suma al esfuerzo del país por realizar una gestión
eficiente de la energía, buscando obtener reducción en los costos y compatibilidad con el
medioambiente, aplicando el concepto de eficiencia energética integrado al enfoque
preventivo y continuo de la Producción Más Limpia (PML) logrando así, una potente
herramienta que ha sido llevada exitosamente a la práctica en Cuba, por el grupo de
trabajo del Instituto de Investigaciones para la Industria Alimenticia (IIIA), integrante de
uno de los Puntos Focales de la Red Nacional de PML organizada con apoyo de la
Organización de Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial (ONUDI). Se ha logrado la
introducción e implementación de enfoques y metodologías de PML para el uso eficiente
de la energía en empresas representativas de los diversos subsectores de la industria
cubana procesadora de alimentos (bebidas, lácteo, cárnico y conservas de frutas y
vegetales), con la ejecución de casos prácticos que sirven de referencia nacional.
En el periodo 2001 – 2007 esta aplicación práctica ha significado aportes económicos por
el concepto de ahorro de energía de 7,530 MWh y beneficios ambientales que se reflejan
en la reducción de unas 2,000 t de CO2 emitidas a la atmósfera.
Este Manual ha sido elaborado a partir de la recopilación de información de un gran
número fuentes e incluye las experiencias prácticas desarrolladas por el grupo de PML del
IIIA, siempre con el apoyo invaluable de los trabajadores y directivos de la industria, con la
certeza de alcanzar una gestión más eficiente de la energía en las industrias cubanas
procesadoras de alimentos. Es nuestro mayor deseo que sea de utilidad para técnicos y
profesionales de todo el sector alimentario y contribuya a elevar la competitividad de
nuestras empresas y la protección del medioambiente.
iii
RESUMEN
La gestión eficiente de la energía disminuye el impacto de su generación y uso sobre el
medio ambiente y representa además una manera de reducir costos y mejorar el
desempeño ambiental del sector industrial. El presente Manual está enmarcado en la
utilización de la energía en la industria alimentaria, la aplicación del enfoque de
producción más limpia, a partir de su definición de estrategia continua y preventiva,
integrado al de eficiencia energética que permita el mejor empleo de la energía y brinda
información técnica, la cual, para su mejor entendimiento, se dividió en energía eléctrica y
energía térmica. La primera trata sobre motores eléctricos, sistemas de trasiego, de
ventiladores y sopladores, sistemas de aire comprimido, refrigeración, aire acondicionado,
secadores y sistemas de iluminación. La segunda trata sobre combustibles, combustión,
balances de masa en los procesos de combustión, generadores de vapor de agua, calidad
del agua en el interior de las calderas, purgas, fugas de vapor, aislamiento térmico,
factores que inciden en la transferencia de calor en los procesos, recuperación de calores
residuales y uso del vapor en procesos de la industria procesadora de alimentos. El
Manual está concebido para facilitar a especialistas y directivos la toma de decisiones
correctas y efectivas que beneficien a la industria y al medioambiente.
ABSTRACT
The efficient administration of the energy diminishes the impact of its generation and use
on the environment and it also represents a way to reduce costs and to improve the
environmental acting of the industrial sector. The present Manual is framed in the use of
the energy in the food industry, its application is focused on cleaner production, starting
from its definition of continuous and preventive strategy, integrated to that of energy
efficiency that allows the best employment of the energy and it offers technical information
which, for its best understanding was divided in electric power and thermal energy. The
first one tries on electric motors, pump systems, fans and blowers, compressed air
systems, refrigeration, air conditioning, dryers and lighting systems. The second try on
fuels, combustion, mass balances in combustion processes, steam generators, quality of
the water inside the boilers, purges, steam leakage, thermal isolation, factors that impact
on the heat transfer of the processes, recovery of residual heats and use of steam in the
food industry processes. The Manual was conceived to facilitate specialists and managers
the taking of correct and effective decisions that benefit to the industry and the
environment.
TABLA DE CONTENIDO
PRÓLOGO ........................................................................................................................................................ II
RESUMEN ........................................................................................................................................................ III
1.0.
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 1
2.0.
USOS DE LA ENERGÍA EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA ............................................................ 6
2.1.
USOS DE LA ENERGÍA .......................................................................................................................... 6
2.2.
ACTIVIDADES MÁS FRECUENTES EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA............................................................. 6
2.3. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES MÁS FRECUENTES EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA Y USO DE LA
ENERGÍA .......................................................................................................................................................... 8
2.4. CONSUMO DE ENERGÍA EN ALGUNOS SECTORES DE LA INDUSTRIA ALIMENTARIA ......................................... 19
2.4.1. Procesamiento de la carne ........................................................................................................... 19
2.4.2. Procesamiento de frutas y vegetales ............................................................................................ 19
2.4.3. Procesamiento de la leche ........................................................................................................... 20
2.4.4. Producción de pastas ................................................................................................................... 21
2.4.5. Producción de cerveza ................................................................................................................. 21
2.4.6. Producción de aceites vegetales .................................................................................................. 22
3.
EFICIENCIA ENERGÉTICA VINCULADA A LA PRODUCCIÓN MÁS LIMPIA ................................... 23
3.1.
INTEGRACIÓN DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA Y LA PRODUCCIÓN MÁS LIMPIA ...................................... 23
3.2.
METODOLOGÍA PARA LA APLICACIÓN DE PML – EE ............................................................................ 23
3.2.1. Etapa 1: Planificación y organización ........................................................................................ 24
3.2.2. Etapa 2: Pre – Evaluación ......................................................................................................... 26
3.2.3. Etapa 3: Evaluación ................................................................................................................... 29
3.2.4. Etapa 4: Análisis de factibilidad económica............................................................................... 30
3.2.5. Etapa 5: Implementación y Continuación .................................................................................. 33
3.3. ASPECTOS A CONSIDERAR EN EL USO EFICIENTE DE LA ENERGÍA A PARTIR DE LA APLICACIÓN DE LA PML .... 33
4.0.
GESTIÓN EFICIENTE DE LA ELECTRICIDAD ............................................................................... 35
4.1.
MOTORES ELÉCTRICOS ..................................................................................................................... 35
4.1.1. Manejo de velocidad variable ....................................................................................................... 37
El uso de esta información, conociendo los requerimientos para el uso del motor, permite evaluar la
alternativa de control de velocidad con la que se trabaja y modificarla para lograr mayor eficiencia en la
operación. ............................................................................................................................................... 38
4.1.2. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía.............................................................. 38
4.2. SISTEMAS DE TRASIEGO. BOMBAS ........................................................................................................... 39
4.2.1. Principios de proporcionalidad o leyes de afinidad ...................................................................... 43
4.2.2. Estrategias para el control del flujo............................................................................................... 44
4.2.3. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía.............................................................. 45
4.3. SISTEMAS DE VENTILADORES Y SOPLADORES ........................................................................................... 45
4.3.1. Comportamiento operacional de los ventiladores ........................................................................ 47
4.3.2. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía.............................................................. 48
4.4. SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDO .............................................................................................................. 49
4.4.1. Aspectos que tienen repercusión en la mejora de la eficiencia energética de un sistema de aire
comprimido.............................................................................................................................................. 50
4.4.2. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía.............................................................. 52
4.5.
REFRIGERACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO ........................................................................................... 53
4.5.1. Carga de enfriamiento .................................................................................................................. 58
4.5.2. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía.............................................................. 60
4.6. SECADORES ........................................................................................................................................... 61
4.6.1. Criterios de consumo energético .................................................................................................. 64
4.6.2. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía.............................................................. 65
4.7. SISTEMAS DE ILUMINACIÓN ...................................................................................................................... 65
4.7.1. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía.............................................................. 68
5.0.
GESTIÓN EFICIENTE DE LA ENERGÍA TÉRMICA ......................................................................... 69
5.1.
COMBUSTIBLES ................................................................................................................................ 69
5.1.1. Análisis de los combustibles ...................................................................................................... 69
5.1.2. Valores calóricos de los combustibles ....................................................................................... 70
5.1.3. Almacenamiento y manejo de combustibles ............................................................................. 72
5.2.
COMBUSTIÓN ................................................................................................................................... 73
5.2.1. Aire para la combustión ............................................................................................................. 74
5.2.2. Gases productos de la combustión .............................................................................................. 74
5.2.3. Oxígeno y aire teórico requerido ............................................................................................... 75
5.2.4. Exceso de aire para la combustión ............................................................................................ 75
5.3.
BALANCES DE MASA EN LOS PROCESOS DE COMBUSTIÓN .................................................................... 77
5.4.
GENERADORES DE VAPOR DE AGUA ................................................................................................... 79
5.4.1. Clasificación de los generadores de vapor ................................................................................ 79
5.4.2. Equipos que integran el generador de vapor............................................................................. 81
5.4.3. Balance de energía en los generadores de vapor ..................................................................... 82
5.4.3.1. Factor bruto de evaporación .................................................................................................................. 84
5.4.3.2. Índice específico de evaporación ........................................................................................................... 84
5.4.3.3. Rendimiento bruto de un generador de vapor........................................................................................ 84
5.5.
CALIDAD DEL AGUA EN EL INTERIOR DE LA CALDERA............................................................................ 89
5.6. PURGAS ................................................................................................................................................. 94
5.7. FUGAS DE VAPOR.................................................................................................................................... 97
5.8.
AISLAMIENTO TÉRMICO ..................................................................................................................... 99
5.8.1. Acabado del sistema de aislamiento térmico ............................................................................. 101
5.8.2. Cuantificación de las pérdidas de energía producto del no aislamiento .................................... 102
5.8.2.1. Pérdida de energía a través de una pared .............................................................................. 102
5.8.2.2. Pérdida de energía a través de la pared de un tubo ............................................................... 103
5.8.2.3. Método simple para calcular la pérdida de energía en superficies ...................................................... 107
5.8.3. Espesor óptimo del aislamiento térmico ..................................................................................... 108
5.9.
FACTORES QUE INCIDEN EN LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN LOS PROCESOS ................................... 109
5.9.1. Eliminación del aire ..................................................................................................................... 112
5.9.2. El condensado y su evacuación .............................................................................................. 114
5.10. SISTEMA DE TRAMPAS DE VAPOR ..................................................................................................... 114
5.10.1.
Trampas termostáticas ........................................................................................................ 115
5.10.1.1.
5.10.1.2.
5.10.1.3.
5.10.1.4.
5.10.1.5.
5.10.2.
5.10.2.1.
5.10.2.2.
5.10.2.3.
5.10.2.4.
5.10.3.
5.10.3.1.
5.10.3.2.
5.10.3.3.
Tipo de presión equilibrada o balanceada ..................................................................................... 115
Trampas de expansión líquida ....................................................................................................... 116
Tipo de expansión metálica ........................................................................................................... 117
Tipo de expansión bimetálica ........................................................................................................ 117
Tipo termodinámica ....................................................................................................................... 118
Trampas mecánicas ............................................................................................................ 119
Tipo de flotante libre ...................................................................................................................... 119
Tipo de flotador de palanca ........................................................................................................... 120
Tipo de cubeta o balde abierto ...................................................................................................... 120
Tipo de cubeta o balde invertido .................................................................................................... 121
Criterios a tener en cuanta para la selección del tipo de trampa a utilizar ......................... 122
Definición del tipo de aplicación ..................................................................................................... 122
Selección de tipo de purgador ....................................................................................................... 122
Detección y eliminación de posible problemas en el funcionamiento de las trampas .................... 123
5.10.4.
Mantenimiento ..................................................................................................................... 125
5.11. RECUPERACIÓN DE CALORES RESIDUALES ....................................................................................... 125
5.11.1.
Recuperación de condensado ............................................................................................. 125
5.11.1.1. Recuperación de condensado para alimentar a la caldera ................................................................ 125
5.11.2.
Aprovechamiento del vapor (Flash) del condensado .......................................................... 128
5.12. USO DEL VAPOR EN PROCESOS DE LA INDUSTRIA PROCESADORA DE ALIMENTOS ................................ 133
5.12.1. Equipos para evaporar.............................................................................................................. 133
5.12.1.1. Aspectos energéticos de evaporadores de calandria ........................................................................ 133
5.12.1.2. Aspectos energéticos de evaporadores de serpentín ........................................................................ 133
5.12.2. Equipos para elevar la temperatura de la sustancia en proceso ............................................. 134
5.12.3. Equipos para destilación ........................................................................................................... 134
5.13. INSPECCIÓN ENERGÉTICA AL PROCESO DE GENERACIÓN DE VAPOR ....................................................... 134
6. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................................... 137
ANEXOS
CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 69
5.0.
GESTIÓN EFICIENTE DE LA ENERGÍA TÉRMICA
5.1.
Combustibles
Se denominan combustibles todas aquellas sustancias que arden al combinarse con
oxígeno, desprendiendo calor como resultado de las reacciones químicas involucradas si
el sistema no está aislado, debido a la transformación de energía química en energía
cinética y potencial interna. El medio que proporciona el oxígeno es el comburente; el aire
es el más usado por su abundancia en la naturaleza. El combustible es el elemento clave
para la operación de los generadores de vapor y muy especialmente en su economía.
En la industria alimentaria se hace uso, por lo general, de los combustibles líquidos
(principalmente fuel oils) y en menor medida de combustibles gaseosos. Los combustibles
líquidos están formados fundamentalmente por carbono e hidrógeno, con pequeñas
cantidades de oxígeno, nitrógeno, azufre y otros elementos y una pequeña porción de
ceniza. Por su parte, los combustibles gaseosos son obtenidos a partir de la destilación de
la hulla y del petróleo. La composición varía mucho según el origen, pero en todos los
casos son combustibles formados por monóxido de carbono, hidrógeno e hidrocarburos
en diferentes proporciones, acompañados de compuestos inertes como el nitrógeno y el
dióxido de carbono y muchas veces contienen pequeñas cantidades de oxígeno. La
potencia calorífica de estos varía mucho con su composición, y es tanto menor cuanto
mayor sea la proporción de compuestos inertes.
5.1.1. Análisis de los combustibles
El análisis de los combustibles consiste en la determinación de las cantidades relativas o
proporciones de sus constituyentes. Para combustibles líquidos, los análisis se reportan
en base a porcentajes másicos, mientras que para combustibles gaseosos se reportan en
base a porcentajes en volumen.
Además del análisis común (tanto por ciento másico o volumétrico de cada especie
química), se suelen realizar otros dos análisis. El primero, el análisis inmediato o próximo
donde se determinan cuatro grupos de constituyentes definidos arbitrariamente: humedad,
materia volátil, carbono fijo y cenizas. Este método es comúnmente usado para
combustibles sólidos. Y el segundo, el análisis mediato o elemental, que consiste en un
análisis químico complejo por medio del cual se determina el tanto por ciento de cada uno
de los elementos principales.
Los resultados del análisis mediato o elemental son indispensables para la realización del
balance de masa en el proceso de combustión en el generador de vapor. Usualmente se
reportan como:
o Humedad (M): tanto por ciento másico de agua libre, que se determina mediante
un calentamiento de la muestra.
o Agua combinada (H2O): casi siempre se reporta al oxígeno combinado con
hidrógeno en forma de agua; tanto por ciento másico de agua combinada o
humedad inherente.
o Carbono total (C): tanto por ciento másico de carbono que contiene el combustible.
o Hidrógeno (H): el hidrógeno existe en los componentes volátiles, en el agua
combinada y en la humedad libre o superficial; en el análisis químico elemental se
reporta el hidrógeno como hidrógeno neto, o sea, al que existe en los componentes
volátiles, o hidrogeno total, que incluye además al hidrógeno del agua combinada.
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 70
o Oxígeno (O): tanto por ciento másico de oxígeno que contiene el combustible, se
supone que todo se haya combinado con el hidrógeno en forma de agua
combinada.
o Nitrógeno (N): tanto por ciento másico, es un gas inerte que aparece casi siempre
en pequeña proporción.
o Azufre (S): tanto por ciento másico de azufre en el combustible.
o Cenizas (A): constituye todo aquello que queda como residuo después de quemar
un combustible hasta 1,000 oC, tanto por ciento másico de cenizas.
Los resultados de este tipo de análisis pueden obtenerse a través del suministrador o
proveedor de combustibles. Es importante exigir a estos, que los resultados del análisis
elemental forme parte del certificado de calidad o conformidad del producto que se
adquiere; pues dependiendo de la composición del mismo se calcularán los parámetros
necesarios para alcanzar una combustión lo más completa posible. En el caso que se
desconozca la composición química o elemental del combustible con el cual se trabaja,
debe estimarse esta, haciendo uso de datos reportados en la literatura especializada de
acuerdo al productor o país de procedencia del mismo. La Tabla 5.1 muestra la
composición química de varios petróleos utilizados en la industria.
La Tabla 5.1. Composición química de petróleos (% peso)
Componente
Carbono (C)
Hidrógeno (H)
Azufre (S)
Oxígeno (O)
Nitrógeno (N)
Humedad (M)
Cenizas (A)
Fuel oil No.1
Fuel oil No.2
84.60
9.70
2.70
0
1
1.50
0.50
83.70
9.20
3.60
0
1
2
0.50
Fuel oil
Pesado
84.40
10.50
3.50
0
0
1.40
0.20
Gas oil C
86
11.10
0.80
0
1
1
0.10
5.1.2. Valores calóricos de los combustibles
El valor calórico (VC) o potencia calorífica de un combustible es numéricamente igual pero
de signo contrario a su calor estándar de combustión (VC = - ΔHoc ), que se define como
el calor liberado como resultado de la combustión completa del combustible; cuando al
comienzo y al final de la combustión la temperatura es 25 oC y la presión 1 atm.
Hay dos formas de uso corriente de expresar los valores calóricos o potencias caloríficas:
o Valor calórico superior de un combustible (VCS): es el calor desprendido en su
combustión completa a 1 atm y 25 oC cuando toda el agua inicial y final está en
estado líquido en los productos de la combustión. También se denomina valor
calórico bruto.
o Valor calórico inferior de un combustible (VCI): se define de forma similar al
anterior, excepto que el estado físico del agua es gaseoso. También se denomina
valor calórico neto y este es el valor calórico que mejor indica el valor energético
aprovechable de un combustible.
Las unidades en que se expresa el valor calórico son:
Para combustibles sólidos y líquidos:
- kCal/kg de combustible
- kJ/kg de combustible
Para combustibles gaseosos:
- kCal/Nm3 de combustible
- kJ/Nm3 de combustible
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 71
El poder calorífico (valor calórico) de un combustible puede determinarse
experimentalmente mediante el uso de una bomba calorimétrica y de las normas
establecidas para esta determinación o analíticamente, utilizando ecuaciones que están
en función de la composición del combustible; también pueden emplearse tablas con
datos teóricos o experimentales.
En la Ecuación 5.1 se muestra la relación entre VCS y VCI para un combustible:
VCI = VCS – n x λ 25 oC
Donde:
(5.1)
n: cantidad de agua formada en las reacciones y el agua libre (kg)
λ 25 oC: calor de vaporización del agua a 25 oC por unidad másica de
agua (kJ/kg)
VCI: valor calórico inferior del combustible (kJ/kg de combustible)
VCS: valor calórico superior del combustible (kJ/kg de combustible)
Algunas ecuaciones para el cálculo de las diferentes formas del valor calórico se
presentan a continuación:
o Para combustibles sólidos y líquidos:
⎛
⎝
VCS = 9,100 x C + 34,200 ⎜ H −
⎛
⎝
VCI = 8,100 x C + 34,200 ⎜ H −
Donde:
O⎞
⎟ − 2,500 x S
8⎠
O⎞
⎟ − 2,500 x S − 5,400 x H
8⎠
(5.2)
(5.3)
VCI y VCS se expresan en kCal/kg de combustible
o Si el combustible líquido es un derivado del petróleo:
C
− 7,000 x S
M
(5.4)
VCI = 12,925 − 3,200 x d − 7,000 x S
(5.5)
VCI = 12,125 − 292 x
⎛C⎞
d = 0.25 + 0.0913 x ⎜ ⎟
⎝H⎠
Donde:
VCI se expresa en kCal/kg de combustible
d: densidad del combustible a 15 oC (g/cm3)
Los componentes elementales que se utilizan en las Ecuaciones 5.2 – 5.5 (C, H, O y S)
están en tanto por uno o sea kg del componente/kg de combustible.
En el siguiente ejemplo se muestra el cálculo del calor calórico inferior para un
combustible del cual se conoce su composición química.
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 72
EJEMPLO 5.1
Calcular el valor calórico inferior (VCI) del Fue Oil No.1 cuyo análisis elemental aparece en
la Tabla 5.1.
Expresando la composición en tanto por uno:
C= 84.60; H= 9.70; S= 2.70; O= 0; N=1; M= 1.50
0⎞
⎛
VCI = 8,100 x 0.846 + 34,200 x ⎜ 0.097 − ⎟ − 2,500 x 0.027 − 5,400 x 0.097
8⎠
⎝
VCI = 9,578.70 kCal/kg de combustible
(EC. 5.3)
5.1.3. Almacenamiento y manejo de combustibles
El combustible que se utiliza para la generación de vapor debe ser almacenado en
tanques de reserva con determinada cobertura (de 30 a 90 días) y trasegados hacia el
tanque de consumo diario. Estos depósitos deben estar equipados con un canal de
ventilación en la parte superior y válvula y tuberías de drenaje, en la parte inferior que
permitan eliminar periódicamente el agua acumulada.
Para mantener un adecuado control del combustible almacenado puede aplicarse un
pequeño balance de materiales que tenga en cuenta la siguiente ecuación fundamental
que debe ser dimensionalmente consistente:
(5.6)
La aplicación de esta ecuación implica el aforo y la técnica de medición correcta de los
tanques. El almacenamiento de los combustibles de manera correcta ayuda a que las
pérdidas puedan ser reducidas, aunque no eliminadas por las características propias de
los productos del petróleo.
Se debe tener especial cuidado y actuar de manera urgente ante la detección de salideros
en juntas, soldaduras, tuberías, válvulas, etc.; pues las pérdidas por derrames o salideros
pueden llegar a ser considerables, para cuantificar las mismas se mide la cantidad de
gotas que caen en un intervalo de tiempo determinado y luego se compara con los datos
que se muestran en la Tabla 5.2:
Tabla 5.2. Pérdida de combustible debido a salideros
1 gota por minuto
Dos gotas por minuto
Gotas continuas
L/día
6.80
13.60
90.80
Pérdidas de combustible
L/semana
L/mes
48
204
95
408
636
2,724
L/año
2,482
4,964
33,142
El Ejemplo 5.2 que se muestra a continuación, presenta la evaluación de la pérdida de
combustible producto de salideros haciendo uso de la Tabla 5.2.
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 73
EJEMPLO 5.2 Se quiere evaluar la pérdida de fuel oil producto de salideros en la válvula acoplada a la tubería de salida del tanque de almacenamiento. Se mide la cantidad de gotas en 5 minutos. Cantidad de gotas: 5 5
5
Gotas por minuto = = 1 gota/min Con este valor de 1 gota/min obtenemos de la Tabla 4.2 la pérdida anual: Pérdida anual de combustible = 2,482 L/año La densidad del fuel oil es de 0.965 kg/L, luego: Pérdida anual de combustible = 2,482 L
kg
x 0,965 año
L
Pérdida anual de combustible = 2,395 kg/año 5.2.
Combustión
La combustión es un proceso químico complejo mediante el cual ciertos elementos y
compuestos contenidos en alto grado en los combustibles, se combinan con el oxígeno
para formar fundamentalmente óxidos. En general, teniendo en cuenta que el oxígeno lo
suministra el aire, se puede representar el proceso mediante la siguiente ecuación:
Combustible + Aire Æ Productos + Calor liberado
Los principales productos de la combustión son el dióxido de carbono (CO2), vapor de
agua (H2O), dióxido de azufre (SO2) y óxidos de nitrógeno (NOx). La Figura 5.1 muestra
los diferentes constituyentes del combustible después de la combustión completa.
Figura 5.1. Productos de la combustión.
Cuando las sustancias que se combinan con el oxígeno reaccionan y todo el carbono
pasa a CO2, se dice que la combustión es completa, es decir, se alcanza el máximo grado
de oxidación, pero cuando, por determinadas razones no se alcanza ese grado de
oxidación, la combustión se denomina incompleta, lo cual puede ocurrir por insuficiencia
de oxígeno, por pobre mezclado del combustible con el oxígeno, por tener una
temperatura muy baja para soportar y mantener la combustión y por otras causas.
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 74
El calentamiento y el mezclado del combustible con el oxígeno influyen grandemente
sobre a combustión de los combustibles. Así, cuando un hidrocarburo se calienta
rápidamente, retardando el mezclado con oxígeno, se rompen las moléculas de dicho
hidrocarburo y se forman C e H2 que luego reacciona con O2. Si el mezclado con oxígeno
no es bueno, los combustibles básicos forman compuestos hidroxilados que se
descomponen formando aldehídos, los cuales, bajo la acción del calor y del oxígeno,
forman H2, CO (monóxido de carbono) o CO2 y H2O, según las condiciones imperantes.
5.2.1. Aire para la combustión
El aire es el principal proveedor de oxígeno en la combustión. El aire seco atmosférico
tiene en su composición, además de oxígeno y nitrógeno, pequeñas cantidades de
dióxido de carbono (0.04 % en peso), argón (1.30 % en peso) e hidrógeno (≈ 0). Para
fines prácticos se considera el aire formado sólo por oxígeno y nitrógeno como se muestra
en la Tabla 5.3.
Tabla 5.3. Composición del aire seco para fines prácticos
Componentes
Oxígeno
Nitrógeno
Aire
Porcentaje
molar o en
volumen
21
79
Porcentaje
en peso
Masa molecular
(kg/kmol)
23.20
76.80
32
28.20
100
29
100
El balance de masa aplicado a la combustión considera las relaciones estequiométricas
de las reacciones químicas involucradas en el proceso. De este modo, para el carbono
reaccionando con aire, se tiene:
C + O2 +
3.76 N2 Æ CO2 +
3,76 N2
1
8.84
8.84
2.67
3.67
(unidades másicas)
Por tanto, 1 kg de carbono reacciona con 2.67 kg de oxígeno (11.50 kg de aire) para dar
3.67 kg de dióxido de carbono y 8.84 kg de nitrógeno.
De manera similar, para el hidrógeno y el azufre se tiene:
Para:
Se requiere:
1 kg de H2
8 kg de O2 o 34.50 kg de aire
1 kg de S
1 kg de O2 o 4.32 kg de aire
5.2.2. Gases productos de la combustión
Los productos de combustión de los combustibles regularmente contienen: dióxido de
carbono, monóxido de carbono, nitrógeno, oxígeno, vapor de agua, dióxido de azufre,
carbono libre, cenizas y combustible que no reacciona. Una parte de dichos productos
salen por la chimenea de los hornos y son los llamados gases productos de la combustión,
gases exhaustos o humos y otra parte puede quedar en el horno en estado sólido. La
composición de los gases productos depende de varios factores, a saber: tipo de
combustible usado, estado termodinámico del combustible y del aire alimentado, relación
aire-combustible, condiciones de la combustión y otros.
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 75
El análisis de los gases de combustión permite determinar el aire realmente usado en la
combustión dada; aunque el flujo de este aire puede ser medido su medición puede
resultar costosa. Este análisis proporciona un medio eficaz para efectuar un control
adecuado sobre la combustión y se puede efectuar mediante un aparato denominado
ORSAT.
5.2.3. Oxígeno y aire teórico requerido
El oxígeno teórico es el oxígeno estrictamente necesario para que todo el hidrógeno, el
carbono del combustible y el azufre pasen a agua, dióxido de carbono y dióxido de azufre
respectivamente.
Haciendo uso de las relaciones que se presentan en el acápite 5.2.1, para 1 kg de
combustible el oxígeno teórico requerido viene dado por:
⎛
⎝
MO = 2.67 x C + 8 x ⎜ H −
Donde:
O⎞
⎟+S
8⎠
(5.7)
MO: masa de oxígeno teórico por masa de combustible (kg de O2/kg
de combustible)
C, H, O y S: fracciones másicas de carbono, hidrógeno total, oxígeno
y azufre del combustible
Teniendo en cuenta que el aire atmosférico contiene 23.20 % másico de oxígeno (Tabla
5.2), se tiene:
Mat =
MO
O⎞
⎛
= 11.50 x C + 34.50 x ⎜ H − ⎟ + 4.32 x S
0.232
8⎠
⎝
Donde:
(5.8)
Mat: masa de aire teórico por masa de combustible (kg de aire
teórico/kg de combustible)
EJEMPLO 5.3 Para producir vapor en una cervecería se tiene un fuel oil cuyo análisis elemental másico es: C= 83 %; S= 2.80 %; H= 10.40 %; O= 0.70 %. Calcular la cantidad de oxígeno y aire teórico necesarios para la combustión. 0.007 ⎞
⎛
Cantidad de oxígeno teórico = 2.67 x 0.83 + 8 x ⎜ 0.104 −
(EC. 5.7) ⎟ + 0.028 8 ⎠
⎝
Cantidad de oxígeno teórico = 3.07 kg de O2 teórico/kg de combustible 3.07
(EC. 5.8) Cantidad de aire teórico = 0.232
Cantidad de aire teórico = 13.22 kg de aire teórico/kg de combustible Nótese que para obtener la cantidad de oxígeno y aire teórico por hora, requeridos para la
combustión, en el Ejemplo 5.3 deben multiplicarse los valores obtenidos por la masa de
combustible consumido por hora.
5.2.4. Exceso de aire para la combustión
Para garantizar la adecuada mezcla de oxígeno y combustible que permita una
combustión completa y sin combustible no quemado, en la realidad se trabaja con una
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 76
cantidad de aire superior a la teórica. Una forma de medir la cantidad de aire que se
adiciona de más es el exceso de aire, que se define como la cantidad de aire real a utilizar
menos la cantidad de aire teórico requerido para la combustión, también se utiliza el
coeficiente de exceso de aire (α) para determinar la cantidad de aire preciso para la
combustión; no obstante, generalmente se expresa como el porciento de exceso de aire
utilizado (% EA) y se calcula a partir del análisis de los gases producto de la combustión.
1
x % CO
2
x 100
%EA =
0,264 x % N 2 − % O2 + 2 x % CO
% O2 −
(5.9)
Donde: %O2, %N2 y %CO: porcentajes de oxígeno, dióxido de carbono, nitrógeno
y monóxido de carbono en los gases producto de la combustión
Un control apropiado del % EA mantiene la eficiencia de la combustión en un valor óptimo,
los porcentajes de CO2 y de O2 en los gases producto son índices del % EA. El nivel
apropiado del % EA y por ende, el porcentaje de CO2 obtenido, dependen del tipo de
combustible utilizado, del tipo de horno, etc.
La siguiente ecuación permite determinar el coeficiente de exceso de aire (α) la cual está
en función de la composición de los gases de salida y la composición elemental del
combustible:
C
x % O2
12
α = 1+
⎛C S H⎞
+ ⎟ x % CO2
⎜ +
⎝ 12 32 4 ⎠
Donde:
(5.10)
C, H y S: fracciones másicas de carbono, hidrógeno, y azufre del
combustible
Las Tablas siguientes (5.4, 5.5, 5.6) sirven de referencia para evaluar la situación del
coeficiente de exceso de aire.
Tabla 5.4. Índices para el contenido de CO2 en los gases producto de la combustión
de calderas que queman fuel oil a diferentes cargas
Producción nominal
de la caldera (ton/h)
1,6
3,2
6,5
12,5
25,0
% de CO2 para
potencia nominal
13 – 14
13 – 14
13.80 – 14.50
13.80 – 14.50
14 – 15
% de CO2 para
potencia media
12 – 13
12 – 13
12 – 13
12.50 – 13.50
13.50 – 14
Tabla 5.5. Índices para el nivel de O2 en los gases producto de la combustión
Coeficiente de
exceso de aire
1.02 – 1.05
1.05 – 1.10
1.10 – 1.15
1.15 – 1.20
Nivel de O2 (%)
0.40 – 1.10
1.10 – 2
2 – 2.80
2.80 – 3.80
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Tabla 5.6. Relación entre el contenido de CO2 de los gases producto de la
combustión y el coeficiente de exceso de aire
CO2 (%)
CO2/α
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
3.27
2.80
2.45
2.18
1.96
1.78
1.63
1.51
1.40
1.30
La utilización de un exceso de aire para la combustión también tiene consecuencias
negativas para la eficiencia del proceso, por lo tanto es importante controlar la cantidad de
aire suministrado de manera que el sistema trabaje solamente con el exceso de aire
requerido para alcanzar una adecuada combustión. Las principales consecuencias son:
o Disminución de la temperatura de la llama. El aumento del exceso de aire implica
una disminución de la temperatura de la llama
o Aumento de las pérdidas por chimenea. Al trabajar mayores excesos de aire,
aumenta la cantidad de calor que se va al exterior del horno con los gases de
combustión
o Aumento del consumo de energía eléctrica absorbida en el ventilador para la
circulación de mayores consumos de aire
Por otra parte, el consumo de energía asociado al requerimiento de aire para la
combustión se puede disminuir tomando las siguientes medidas:
o Utilizar la cantidad mínima requerida de aire, que se determinará en función del
modelo de quemador instalado y del tipo de horno para minimizar las pérdidas de
calor por gases, sin que aparezcan inquemados
o Una vez optimizada la cantidad de aire a emplear, debe controlarse y regularse
continuamente para evitar que en el transcurso de la explotación se produzcan
desviaciones respecto al valor fijado
o Precalentar el aire que se introduce en el generador mediante intercambio de calor
con los gases de combustión. Al realizar esto se observan dos consecuencias
positivas:
- Incremento de la temperatura de la llama, con lo que aumentará la cantidad
de calor radiado para la misma cantidad de combustible quemado
- Disminuir la temperatura de los gases que se envían a la atmósfera como
consecuencia de que han cedido calor para precalentar el aire, se reduce la
pérdida de calor por gases
5.3.
Balances de masa en los procesos de combustión
Los balances de masa en los procesos de combustión nos permiten conocer el estado de
la combustión y la cantidad de gases que son emitidos a la atmósfera, dentro de los
cuales se encuentran gases contaminantes del medio ambiente:
o El CO2 contribuye indirectamente al efecto invernadero
o El SO2 causa las lluvias ácidas cuando es transformado en H2SO4
o Los NOX son una familia peligrosa de contaminantes, pues estos óxidos
contribuyen a la acidificación y al efecto invernadero. Más significativamente son
una causa directa de la destrucción de la capa de ozono
Los resultados del balance de masa de la combustión son indispensables para llevar a
cabo balances de energía y conocer la energía disponible de los gases productos para ser
reutilizados en el proceso de generación y elevar su rendimiento.
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Cálculo de los productos gaseosos secos
MGs =
4 x (%CO 2 ) + (%O 2 ) + 700
x (C + 0.425 x S)
3 x (%CO 2 ) + 3 x (%CO)
Donde:
(5.11)
MGs: kg de gases
secos productos de la combustión/kg de
combustible
%CO2, %O2, %CO: Porciento de dióxido de carbono, oxígeno y
monóxido de carbono en los gases productos
C y S: Fracciones másicas de carbono y azufre en el combustible
Calculo del aire suministrado seco
MAs =
3.038 x (% N 2 )
N
xC−
(%CO 2 ) + (%CO )
0.768
Donde:
(5.12)
MAs: kg de aire seco real suministrado/kg de combustible
%CO2, %N2, %CO: Porciento de dióxido de carbono, nitrógeno y
monóxido de carbono en los gases productos
C y N: Fracciones másicas de carbono y nitrógeno en el combustible
Cálculo del aire húmedo real suministrado
MAh = MAs x (1+YA)
Donde:
(5.13)
MAh: kg de aire húmedo real/kg de combustible
MAs: kg de aire seco real suministrado/kg de combustible
YA: Humedad másica del aire
Cálculo de los productos gaseosos húmedos
MGh = MGs + Magua, G
(5.14)
Magua, G = MAV + 9 x H
(5.15)
MAV = YA x MAs
(5.16)
Donde:
MGh: kg de gases húmedos productos de la combustión/kg de
combustible
MGs: kg de gases secos productos de la combustión/kg de
combustible
Magua,G: kg de agua en los gases húmedos productos de la
combustión/kg de combustible
MAV: kg de agua en el aire/kg de combustible
MAs: kg de aire seco real suministrado/kg de combustible
YA: Humedad másica del aire
H: Fracción másicas de hidrógeno en el combustible
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EJEMPLO 5.4 Se quema gas natural en una caldera que proporciona vapor al proceso de elaboración de jarabe simple que luego se adiciona a la preparación de jugo de naranja. El análisis elemental del combustible es: C = 0.7184; O = 0.0076; H = 0.2355; N = 0.0384. Si el análisis de los gases productos es: CO2= 10.63 %; O2= 2.10 %; N2= 87.27 % y si la humedad del aire es 0.02 kg de agua/kg de aire. Calcular para 1 kg de combustible: a) masa de aire húmedo alimentado 3.038 x (87.27 )
0.0384
MAs = = 17.87 kg de aire seco x 0.7184 −
(10.63) + (0)
0.768
MAh = 17.87 x (1+0.02) = 18.23 kg de aire húmedo real (EC. 5.13) b) masa de gases productos 4 x (10.63) + (2.10 ) + 700
MGs = x (0.7184 + 0.425 x 0 ) 3 x (10.63) + 3 x (0)
= 16,78 kg de gases productos secos (EC. 5.11) MAV = 0.02 x 17.87 = 0,36 kg de agua en el aire (EC. 5.16) Magua, G = 0.36 + 9 x 0.2355 = 2.48 kg de agua en los gases productos húmedos (EC. 5.15) MGh = 16,78+ 2,48 = 19,26 kg de gases productos húmedos (EC. 5.14) (EC. 5.12) Se tenerse en consideración que los resultados del ejemplo anterior están referidos a 1 kg
de combustible y que los mismos deben ser multiplicados por la masa real de combustible
consumido, para que los resultados se correspondan con las condiciones reales de
operación.
5.4.
Generadores de vapor de agua
Todo equipo destinado a hacer pasar un líquido al estado de vapor de forma continua
mediante la transferencia de calor de una fuente externa, recibe el nombre de generador
de vapor.
En general este término se aplica a un conjunto de equipos destinados a generar vapor y
se compone de la caldera, el horno, los equipos auxiliares y los accesorios. En la práctica
se designa caldera como sinónimo de generador de vapor.
Todo generador de vapor de agua se caracteriza por estar formado por un recipiente casi
siempre de forma cilíndrica con una superficie de calentamiento formada por tubos,
colocados en diversas formas y sometidos a la acción de gases calientes que le
transfieren calor al agua. La energía que transfieren los gases calientes proviene de la
combustión de combustibles en un horno y de las transformaciones energéticas
correspondientes.
5.4.1. Clasificación de los generadores de vapor
No existe un criterio único para la clasificación de los generadores de vapor, dada la
diversidad de tipos, formas y variantes; sin embargo existen algunos índices que pueden
ser tomados como base de clasificación. Así, los generadores de vapor se pueden
clasificar de la siguiente forma:
De acuerdo con la presión del vapor generado en:
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 80
-
De bajas presiones (hasta 10.80 bar): se usan generalmente con fines de
calentamiento.
De medias presiones (10.80 – 40.20 bar)
De altas presiones (más de 40.20 bar)
La mayoría del vapor generado para los procesos que lleva a cabo la industria alimentaria
es utilizado con fines de calentamiento, por lo que de acuerdo a la presión del vapor
producido pueden clasificarse como generadores de vapor de baja presión. No obstante,
calderas de media y alta presión son utilizadas en la refinación de aceites vegetales
donde presiones del orden de los 10 bar y 50 bar son requeridas con fines de
calentamiento y evaporación debido al alto punto de ebullición y altas presiones de vapor
de los compuestos involucrados en el proceso de obtención de aceite vegetal refinado.
De acuerdo con el fluido que circula por los tubos en:
o De tubos de fuego, de humos o pirotubulares:
Son calderas de tubos rectos a través de las cuales circulan los gases calientes productos
de la combustión, mientras que el agua rodea los tubos y todo el conjunto está contenido
en una carcasa generalmente de forma cilíndrica. Los generadores pirotubulares se
construyen en dos disposiciones diferentes: horizontales (ver Figura 5.2) y verticales,
siendo los primeros los más utilizados en la industria alimentaria, mientras que los
segundos se emplean generalmente cuando los requerimientos de vapor son bajos. El
hogar puede ser externo o interno y situarse en diferentes localizaciones: inferior en las
verticales, e inferior, inferior-posterior o inferior-anterior en las horizontales, siendo esta
última, la localización más común del hogar en las calderas empleadas en ente tipo de
industria.
Las calderas de tubos de fuego desde el punto de vista operacional tienen las siguientes
características:
-
Pequeño espacio para la combustión y alto índice de liberación de calor resultando
en una mayor evaporación
Gran número de tubos de pequeño diámetro importantes para alcanzar una buena
transferencia de calor por convección
Varios pases resultando en una mejor transferencia de calor
Eficiencia térmica mayor que otras calderas
Figura 5.2. Caldera pirotubular horizontal.
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o De tubos de agua o acuotubulares:
Son calderas tales que el agua y el vapor circulan por el interior de los tubos, mientras
que los gases o las llamas pasan por el exterior de los tubos o superficies de
calentamiento (ver Figura 5.3). Este tipo de calderas está diseñado para altas presiones y
flujos de generación de vapor, normalmente por encima de 4 ton/h.
Figura 5.3. Caldera acuotubular.
5.4.2. Equipos que integran el generador de vapor
Para lograr crear opciones y tomar medidas que conlleven a generar vapor eficientemente
y hacer un adecuado uso del mismo se impone conocer los elementos más importantes
que integran un generador de vapor.
o Horno: Destinado a producir en su interior los gases calientes, el cual está formado
por el hogar o recinto donde se quema el combustible, las paredes y bóvedas del
horno
o La caldera propiamente dicha
o Los quemadores o dispositivos adecuados para introducir el combustible al hogar
Además existen otros equipos que integran los generadores de vapor que son los
llamados equipos auxiliares, entre los cuales los más importantes son:
o
o
o
o
o
o
Las bombas de alimentación de agua a la caldera
Los sopladores del aire comburente
Los ventiladores para el tiro inducido de las calderas
Las bombas de alimentación de combustible
Los precalentadores de aire o economizadores
Los separadores para evitar que el vapor producido arrastre espuma
Otros tipos de elementos que forman parte de los generadores de vapor son los llamados
aditamentos o elementos accesorios, de los cuales los más importantes son:
o Las columnas o niveles de agua: las primeras permiten avisar mediante silbatos
cualquier alteración del nivel de agua en el domo del generador de vapor y los
segundos permiten observar el nivel de agua en el domo del generador
o Las válvulas de extracción: permiten extraer los sólidos almacenados en el domo
de fango o en las superficies de la caldera
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 82
o La válvula de seguridad: evita la explosión de las calderas cuando por cualquier
causa aumenta la presión en la caldera fuera de los límites permisibles
o Las válvulas de no retorno: impiden el retorno del vapor a la caldera, tienen gran
utilidad, sobre todo cuando varios generadores de vapor se conectan a una misma
línea de vapor
5.4.3. Balance de energía en los generadores de vapor
No toda la energía liberada por un combustible se utiliza para producir vapor, pues tienen
lugar pérdidas que impiden aprovechar toda la energía del combustible. El balance de
energía en un generador muestra la distribución de la energía, es decir, la energía
utilizada y las pérdidas por varias causas. La Figura 5.4 muestra un diagrama que define
la frontera termodinámica para balance de energía del proceso de generación de una
caldera que emplea combustible líquido, donde se tienen en cuenta las entradas y salidas
del proceso.
Figura 5.4. Proceso de generación de vapor a partir de combustibles líquidos.
Para realizar un balance de energía en un generador de vapor es necesario disponer de
la siguiente información:
o Análisis elemental del combustible
o El flujo de combustible suministrado, así como la humedad, temperatura y presión
del aire suministrado
o El análisis ORSAT de los productos gaseosos secos
o Temperatura y presión del agua suministrada
o La temperatura, presión y el flujo de vapor producido
El balance general de energía del generador sería (5.17):
Energía
liberada por el combustible (Q2): Q2 = M C x VCI
(5.18)
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 83
Donde:
MC: Masa de combustible (kg/h)
VCI: Valor calórico inferior del combustible (kJ/kg)
Energía recibida por el agua para convertirse en vapor (Q1):
Q1 = mV x (hV − hL )
Donde:
(5.19)
mV: Masa de vapor (kg/h)
hV: Entalpía del vapor (kJ/kg)
hL: Entalpía del agua de alimentación (kJ/kg)
La Figura 5.5 muestra como de la energía que entra con el combustible solo una parte es
utilizada para producir vapor y la restante es consumida en eventos del proceso de
generación considerados como pérdidas. Este tipo de diagramas (Diagramas Sankey)
indica de una manera clara y a la vista el peso e incidencia de cada una de las pérdidas
durante la generación de vapor. El grosor de las flechas muestra la cantidad de energía
contenida en las respectivas pérdidas.
Figura 5.5. Diagrama de energía en un generador de vapor.
Las pérdidas de energía pueden ser divididas en pérdidas reales y pérdidas
circunstanciales. Estas últimas pueden ser reducidas para mejorar la eficiencia de la
generación. Las siguientes pérdidas pueden ser evitadas o reducidas:
o Pérdidas de los gases producto de la combustión
-
Exceso de aire: reducir al mínimo necesario, lo cual depende de la
tecnología del quemador, operación y manteniendo
Temperatura de los gases producto: reducir optimizando los mantenimientos,
carga y utilizar la mejor tecnología disponible de quemadores y calderas
o Pérdidas por purgas
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 84
-
Utilizar agua tratada en la alimentación del generador
Reutilización del condensado
o Pérdidas con el condensado
-
Recuperar la mayor cantidad posible de condensado
o Pérdidas por convección radiación
-
Aislamiento térmico del generador
5.4.3.1. Factor bruto de evaporación
El factor bruto de evaporación se define como la relación existente entre la cantidad de
vapor generado y la cantidad de combustible empleado para ello:
MV
MC
FV =
Donde:
(5.20)
MV: Masa de vapor generado (kg/h)
MC: Masa de combustible (kg/h)
Este factor sirve como guía para tener una idea general de la operación de la caldera si se
obtienen los valores de los términos involucrados en la ecuación a través mediciones, o
sea que los mismos sean valores reales. Se debe tener en consideración si tomamos este
factor como una guía del funcionamiento del generador que las condiciones en que ocurre
el proceso deben ser las mismas (tipo de combustible, equipo.).
5.4.3.2. Índice específico de evaporación
El índice específico de evaporación permite la comparar dos generadores de vapor y
eliminar el efecto de la temperatura del agua de alimentación.
IEE =
η x VCI
(5.21)
100 x hV
Donde:
η: Eficiencia del generador de vapor
VCI: Valor calórico del combustible (kJ/kg)
hV: Entalpía del vapor según las condiciones de presión y temperatura
(kJ/kg)
5.4.3.3. Rendimiento bruto de un generador de vapor
La eficiencia o rendimiento bruto de un generador de vapor es definida como el porcentaje
de la energía que entra al proceso que es efectivamente utilizada para generar vapor.
Esta se puede calcular utilizando dos métodos: el método directo y el método indirecto.
Método directo
Este método se define como el calor útil transferido, o sea, la cantidad de calor que toma
el agua para vaporizarse entre la cantidad de energía que es capaz de liberar el
combustible:
η=
Donde:
M V x (hV − hL )
x 100
M C x VCI
(5.22)
η: Eficiencia del generador de vapor
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 85
hV: Entalpía del vapor según las condiciones de presión y temperatura (kJ/kg)
hL: Entalpía del agua de alimentación según la condición de temperatura
(kJ/kg)
MV: Masa de vapor generado (kg/h)
MC: Masa de combustible (kg/h)
VCI: Valor calórico del combustible (kJ/kg)
EJEMPLO 5.5 Una fábrica de conservas de frutas y vegetales requiere vapor saturado a 3 y 6 bar para la elaboración de sus productos. El vapor es producido en un generador que opera 8 bar y produce 3.50 ton/h de vapor. El agua de alimentación a la caldera es de 86 ºC El consumo combustible es de 266.80 kg/h y el valor calórico es de 40,604.20 kJ/kg. Calcular la eficiencia bruta del generador de vapor por el Método directo. hV (8 bar)= 2,774 kJ/kg η = hL (86 ºC) = 359.90 kJ/kg 3,500 x (2,774 − 359.90 )
x 100 = 78 % 266.80 x 40,604.20
(EC. 5.22) Método indirecto
Este método se basa en calcular el % de pérdidas energéticas por cada uno de los
conceptos posibles y luego por cierre de balance calcular el rendimiento bruto del
generador.
1. Pérdidas por calor sensible de los gases de la combustión (%Pcs)
Esta pérdida es debida a la temperatura con que abandonan los gases de la combustión
la frontera del balance en el proceso de intercambio de calor. Representa la fracción de
energía que toman los gases para calentarse del calor liberado por el combustible en la
combustión a la temperatura del balance y puede ser calculada mediante el método
empírico de Siegert.
% Pcs =
Donde:
K x (Tch − Taire )
(%CO 2 + %CO )
(5.23)
Tch: Temperatura de los gases a la salida del generador (ºC)
Taire: Temperatura del aire (ºC)
%CO2: Porciento en volumen de dióxido de carbono contenido en los
gases de escape
%CO: Porciento en volumen de monóxido de carbono contenido en
los gases de escape
K: Coeficiente de Hassintein
K = 0.56
K = 0.58
K = 0.50
para fuel oil ligero
para fuel oil medio
para fuel oil pesado
2. Pérdida por no combustión química (%Piq)
Para petróleos combustibles se considera que el peso de cenizas es despreciable y por
tanto no se toma en cuenta el carbono de la misma. Esta pérdida entonces solo contiene
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 86
la presencia de no quemados, CO e H2, en los gases que ambas sustancias tiene valor
calórico. Algunos métodos rápidos para calcular el porciento de esta pérdida se muestran
a continuación:
Pérdidas por CO (%PCO):
⎡
⎤
%CO 2
5,650 x C x ⎢
⎥
⎣ (%CO 2 + %CO ) ⎦
x 100
%PCO =
VCI
Donde:
(5.24)
%CO2: Porciento en volumen de dióxido de carbono contenido en los
gases de escape
%CO: Porciento en volumen de monóxido de carbono contenido en
los gases de escape
VCI: Valor calórico del combustible (kJ/kg)
Si no se desea comprometer el contenido de carbono del combustible:
%PCO = 60 x
%CO
(%CO2 + %CO )
(4.25)
Pérdidas por hidrógeno (%PH2):
%PH2 = 0.97 x %PCO
(4.26)
%Piq = %PCO + %PH2
(4.27)
Haciendo un análisis del vínculo que existe entre el %Pcs, el %Piq y el % de exceso de aire
tenemos que:
Si se trabaja con un exceso de aire elevado con respecto al requerido, entonces:
o Se produce una disminución de la llama necesitándose por tanto un mayor
consumo de combustible para mantener las condiciones de operación al disminuir
el calor transferido por radiación
o Se produce un aumento de las pérdidas por chimenea (%Pcs) al aumentar la
temperatura de dicha corriente
o Se produce un aumento de la energía eléctrica consumida por los ventiladores
Si se trabaja con un exceso de aire bajo con respecto al requerido, entonces:
o La mezcla entre el combustible y el aire es mala u no se pueden completar las
reacciones de oxidación del combustible y se producen no quemados.
o Al aumentar la cantidad de no quemados gaseosos (CO), aumenta la pérdida por
no combustión química.
Así se concluye que se debe utilizar la cantidad mínima de aire que asegure la
combustión lo más completa posible, lo cual es función del tipo de quemador instalado y
del tipo de generador; una vez optimizado el exceso de aire, este debe ser controlado y
regulado para evitar desviaciones.
3. Pérdidas por no combustión mecánica o por presencia de hollín (%Pim)
Esta pérdida está asociada al combustible no quemado que se escapa por la chimenea.
Se calcula a partir de los resultados obtenidos al emplear la llamada bomba de
Bacharach para la determinación del índice de no quemados (ver Tabla 5.7).
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 87
Tabla 5.7. Pérdidas por no combustión mecánica según el Índice de Bacharach para
combustibles líquidos
Índice de
Bacharach
1–2
3–4
5–7
8 – 10
%Pim = 0.50
Pérdidas por
incombustión
mecánica (%Pim)
0.20
0.40
0.80
0.90
se puede considerar como valor medio para los cálculos del
rendimiento del generador si no se puede medir el índice de
Bacharach.
4. Pérdidas por radiación al medio exterior (%Pme)
La evaluación rigurosa de esta pérdida se hace muy compleja debido al cálculo de
coeficientes de transferencia de calor por convección-radiación. Por esta razón se
emplean métodos indirectos. La expresión de uso más frecuente es:
⎛ 100
%Pme = ⎜⎜
⎝ M V Máx
Donde:
⎞
⎟
⎟
⎠
0,5
(5.27)
xA
MVMáx: Producción máxima de vapor (t/h)
A: Factor de capacidad
100 % de capacidad
75 % de capacidad
50 % de capacidad
A=1
A = 1.28
A = 1.82
De esta pérdida se deduce que:
o Energéticamente es aconsejable utilizar los generadores de vapor tan cerca como
sea posible de su capacidad nominal
o A igualdad de carga, las pérdidas por las paredes, en porciento, aumentan cuando
disminuye la capacidad del generador
5. Pérdida por purgas (%Pp)
Esta pérdida está asociada a la cantidad de energía que absorbió el agua dentro de la
caldera y que es extraída del sistema por efecto de la purga. Se evalúa por la expresión:
%Pp =
Donde:
P x (hP − hL )
x 100
M C x VCI
(5.28)
P: Cantidad de la purga (kg/h)
hP: Entalpía del líquido saturado a la presión de de la caldera (kJ/kg)
hL: Entalpía del agua de alimentación (kJ/kg)
MC: Masa de combustible (kg/h)
VCI: Valor calórico del combustible (kJ/kg
6. Pérdidas por residuos (%Pres)
Para calderas de petróleo esta pérdida se considera despreciable y por tanto, %Pres = 0
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 88
Conocidas las pérdidas el rendimiento bruto del generador se calcula por cierre de
balance por la siguiente expresión:
η = 100 – (%Pcs + %Piq + %Pim + %Pme + %Pp + %Pres)
(5.29)
EJEMPLO 5.6 En el Ejemplo 5.5 empleando el método directo, se obtuvo que el rendimiento bruto del generador de vapor que suministra energía térmica a los procesos de una fábrica de conservas de frutas y vegetales es de 78 %. Calcular la pérdida total de energía (PT) en % en el generador. 78 % = 100 – PT (5.29) PT = 22 % Este valor significa que el 22 % de la energía liberada por el combustible se pierde. Para desglosar las pérdidas y conocer la incidencia de cada una de ellas en el total de pérdidas se debe calcular el rendimiento bruto del generador por el método indirecto. Otros aspectos relacionados con la economía energética de la sala de calderas son:
o Establecer los índices técnicamente fundamentados para la generación de
vapor y usarlos como parte del control operacional, la desviación de estos
índices es una indicación de que algo se ha desajustado y que es necesario
introducir correcciones.
o Para procesos de calentamiento empleando superficies de transferencia el
vapor a utilizar debe ser saturado y lo más seco posible y por ello:
- Vigilar el nivel del agua dentro de la caldera para evitar operar la misma
con un nivel más alto que el recomendado por el fabricante y emplear
separadores de agua en la línea de salida de la caldera
- Control adecuado de los reactivos químicos del tratamiento
- Evitar irregularidades en la presión de la caldera tratando de que la
misma sea lo más estable posible
o Atención adecuada al tanque de alimentación de agua a la caldera, pues es de
hecho el corazón de todo el sistema. Debe funcionar correctamente con la
capacidad requerida, con un mínimo de pérdidas de calor y asegurando que el
sistema de bombeo funcione sin cavitación alguna. La Tabla 5.8 brinda la altura
necesaria para evitar la cavitación, altura válida para cualquier tipo de bomba, si
bien en algunos casos se puede reducir previa consulta con el fabricante de la
bomba.
o Analizar si durante el funcionamiento de la caldera se produce un efecto
pronunciado de picos y valles debido a las paradas y arrancadas del generador
lo cual es resultado de puestas en marcha y paradas de equipos y/o unidades,
cambios de regímenes de operación o como consecuencia de un
sobredimencionamiento u otras causas; si es así se recomienda el estudio de la
demanda de vapor y la capacidad de la caldera para lograr mantener el
funcionamiento continuo de la misma.
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 89
Tabla 5.8. Altura mínima necesaria para evitar la cavitación en la bomba de
alimentación de agua a la caldera
Temperatura del
agua de alimentación
(oC)
88
93
99
100
5.5.
Altura mínima
necesaria (m)
1.60
3.20
4.80
5.50
Calidad del agua en el interior de la caldera
Además del combustible y el aire de entrada a la caldera, el agua de alimentación forma
parte de las sustancias de trabajo utilizadas en el proceso de generación de vapor que
influyen en la eficiencia del mismo. Las características físico-químicas del agua de
alimentación no solo tienen importancia desde el punto de vista energético sino también
influyen en gran medida en la duración de la caldera y en la eficiencia de la combustión
debido a la formación de incrustaciones, las cuales se muestran en la Figura 5.6 que
interfieren y dificultan la transferencia de calor. La Tabla 5.9 indica el porcentaje de calor
perdido de acuerdo con el espesor de la incrustación formada.
Figura 5.6. Incrustaciones en tuberías del interior de una caldera producto de las
sales de calcio y magnesio presentes en el agua.
La Tabla 5.9. Porcentaje de calor perdido de acuerdo con el espesor de la
incrustación formada
Espesor de la
incrustación
(mm)
0.508
0.794
0.016
1.270
1.587
2.309
2.822
Carbonatos
Carbonatos
Sulfatos
suaves
duros
duros
Pérdidas de calor (%)
3.50
5.25
3
7
8.30
6
8
9.90
9
10
11.25
11
12.50
12.60
12.60
15
14.30
14.30
16
16
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 90
El mecanismo principal causante de las incrustaciones es el factor de solubilidad de las
sales incrustantes el cual decrece con el incremento de temperatura. En la Figura 5.7
vemos el comportamiento de la solubilidad del carbonato de calcio con la temperatura. La
causa más común para la formación de incrustaciones es la tendencia del bicarbonato de
calcio, de pasar a carbonato de calcio insoluble bajo la influencia del calor.
Figura 5.7. Solubilidad del Calcio frente a la temperatura.
Las incrustaciones producen serios problemas de operación porque los diferentes tipos de
incrustaciones formadas poseen un grado muy bajo de conductividad térmica,
produciendo baja eficiencia de la caldera y alto consumo de combustible. Estas provocan
además, aumentos locales en la temperatura de los tubos que pueden provocar la rotura
de los mismos por sobrecalentamiento y un aumento en el consumo de energía. Por otra
parte, el aumento de la temperatura del agua disminuye la solubilidad del oxígeno, como
puede apreciarse en la Figura 5.8, facilitando la corrosión por oxígeno.
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 91
Figura 5.8. Solubilidad del oxígeno disuelto.
El peso específico y la porosidad de la incrustación es una característica muy importante
por su influencia sobre la magnitud del coeficiente de conductividad térmica; ya que
mientras más pequeño sea el peso específico más porosidad tendrá la incrustación,
siendo también más pequeño el coeficiente de conductividad. Con el aumento del
coeficiente de conductividad térmica, se aumenta el flujo calórico a través de la pared de
la caldera y a la inversa, por lo tanto, las incrustaciones con altos coeficientes de
conductividad serán menos peligrosas en sus efectos. En la Tabla 5.10 se indican los
coeficientes de conductividad térmica en los distintos tipos clásicos de incrustaciones, así
como algunas de sus características individuales.
Tabla 5.10. Características individuales de los distintos tipos de incrustaciones y su
conductividad térmica
Tipo de incrustación
Incrustación
de aceite
impregnada
Incrustación de silicatos
Conductividad
térmica
(kCal/h m ºC)
0.10
0.07 – 0.20
Incrustaciones de sulfatos
0.20 – 2
Carbonato cálcico de
cristalización muy fina
0.20 – 1
Carbonato cálcico
cristales gruesos
0.50 – 5
de
Estructura y composición química
Contiene mucha materia orgánica.
Dura. Se forma en las superficies sometidas a mayor
esfuerzo térmico.
Se distinguen por su gran dureza y compactación.
En las condiciones de operación del agua en calderas y
cuando hay excesos de Na2CO3 se forma CaCO3 en forma
de fango que se fija parcialmente en las paredes.
Cuando no hay evaporación de agua el CaCO3 se deposita
en forma de incrustación cristalina dura en las paredes del
economizador, del calefactor, dentro del condensador y de
las tuberías de alimentación.
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 92
Si se analizan los valores de conductividad reportados en la tabla anterior y se comparan
con la conductividad del acero que es de 38.69 kCal/h m ºC para 100 ºC y de 31.25 kcal/h
m °C para 600 ºC, se tiene una mejor idea del efecto de las incrustaciones sobre la
transferencia de calor.
La norma UNE-9075 indica la calidad que debe tener el agua a utilizarse en calderas. Las
características del agua empleada en calderas de tubos de humo se muestran en la Tabla
5.11.
Tabla 5.11. Límite máximo del agua de alimentación a calderas según la Norma UNE
– 9075
Presión
(kgf/cm2)
0 – 15
15 – 25
Salinidad total
en CaCO3 (mg/L)
7,000
4,500
Sílice en SiO2
(mg/L)
100
75
Sólidos en
suspensión (mg/L)
300
300
Cloruros
(mg/L)
3,000
2,000
Los límites permisibles para determinadas características del agua en el interior de las
calderas se brindan en la Tabla 5.12 donde la salinidad total es la suma en mg/L de todas
las sales, medida por el método de residuo seco.
Tabla 5.12. Límites del agua en el interior de las calderas
Presión
máx de
servicio
(kgf/cm2)
≤ 11
11<P ≤ 17
≥ 17
Salinidad
total
(mg/L)
sólidos en
suspensión
(ppm)
Alcalinidad
total
(mg/L CaCO3)
≤ 5,000
≤ 4,000
≤ 3,000
≤ 300
≤ 250
≤ 200
≤ 1,000
≤ 800
≤ 600
pH
a 20 oC
Fosfatos
(mg/L P2O5)
Sílice
(mg/L SiO2)
9.50 – 11.50
15 – 40
< 200
9.50 – 11.50
15 – 30
9.50 – 11.50
15 – 25
≤ 150
≤ 100
Para lograr la calidad requerida del agua de alimentación a la caldera el tratamiento de
ésta puede ser interno, externo o ambos. El tratamiento interno supone la dosificación de
químicos. Este tipo de tratamiento puede ser precipitante o dispersante. El tratamiento
precipitante es el más antiguo e implica el uso de compuestos tales como, carbonato de
sodio, fosfato de sodio, etc., más acondicionadores de lodo, que ayudan en la
precipitación y coagulación de los precipitados formadores de incrustación (dureza de
carbonatos) y los ayuda a depositarse en la zona de la caldera donde se realiza la purga.
Este tipo de tratamiento genera lodos indeseables (Figura 5.9) y es parcialmente efectivo.
Figura 5.9. Lodos suaves pero aislantes en calderas.
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CA
APÍTULO 5
5. Gestión Ef
Eficiente dee la Energíía Térmica
a 93
3
Por otra parte, el tratamientto interno dispersan
nte es má
ás moderno y efectiivo, utiliza
a
dispersan
ntes sintétiicos, taless como, polímeros,
p
coopolíme
eros y terrpolímeros
s; generan
n
menos lod
dos, elimin
nan las lim
mpiezas co
on ácido, alargan
a
loss periodos de manten
nimiento y
propician un mayorr control sobre
s
la síílice y el hierro.
h
En la Figura 5.10 pueden verse
e
tuberías del
d interior de una ca
aldera en la
a cual no se
s utiliza trratamiento interno (F
Figura 5.10
0
a) y otra donde se aplica el tratamiento
t
o interno dispersante
d
e (Figura 5
5.10 b), en
n esta se
e
presenta además,
a
e efecto de
el
e coopolím
meros (Figu
ura 5.10 c) y terpolím
meros (Figu
ura 5.10 d))
en el conttrol de incrrustacioness y del hie
erro presen
ntes en el agua,
a
resa
altando la eficacia
e
de
e
la utilizaciión de terp
polímeros dispersante
d
es.
Figura
a 5.10. Efe
ecto del tratamiento
o interno dispersant
d
te sobre in
ncrustacio
ones y
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d la calde
era.
Por su pa
arte el trata
amiento exxterno máss utilizado en
e la indusstria procesadora de alimentoss
para trata
ar el agua
a de alim
mentación a los gen
neradores de vaporr tiene la siguiente
e
secuencia
a:
o Filttro de are
ena: el cua
al tiene como función eliminar la materia
a suspendiida ya sea
a
org
gánica o in
norgánica y las partículas cuy
yo tamaño oscile enttre 10 – 40
4 μm, asíí
com
mo elimina
ar color, tu
urbiedad, hierro, ma
anganeso oxidados,
o
etc. Esta operación
n
tien
ne como objetivo
o
prrevenir el paso de sólidos
s
susspendidos a las columnas de
e
inte
ercambio iónico ya que
q éstas pueden se
edimentar sobre las resinas blloqueando
o
Punto Foccal IIIA de lla Red Naccional de Prroducción Más Limpia de Cuba
a CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 94
sus sitios activos lo que provoca la disminución de su capacidad de intercambio y
aumenta la caída de presión a través de las columnas.
o Columnas de intercambio iónico con resinas catiónicas de ciclo sódico
(Figura 5.11): en este proceso se intercambian selectivamente los iones Ca+2 y
Mg+2 por una cantidad equivalente de iones Na+ eliminando de este modo estos
iones responsables de la dureza del agua.
Figura 5.11. Esquema general del proceso de intercambio iónico de ciclo sódico.
o Deaireación: esta operación se realiza con el objetivo de remover el dióxido de
carbono y el oxígeno del agua para evitar que provoquen corrosión en el interior de
la caldera y líneas de distribución.
5.6. Purgas
El agua de alimentación a la caldera contiene materiales disueltos y como el agua se
evapora ésta escapa convertida en vapor y aumenta la concentración de los sólidos
disueltos y suspendidos en el interior de la caldera. Estos sólidos de acuerdo a su
naturaleza forman espuma y son arrastrados junto al vapor trayendo consigo la
contaminación del mismo y el deterioro de las líneas de distribución. Además, como
hemos visto la formación de incrustaciones también tiene una influencia negativa en el
proceso de generación y en el equipo como tal.
Por lo tanto es necesario controlar el nivel de concentración de sólidos. Esto se logra
mediante purgas, donde un cierto volumen de agua se extrae y es reemplazada
automáticamente por agua de alimentación para mantener el nivel óptimo de sólidos
disueltos en el agua en el interior del equipo.
La cantidad de agua de purgas puede calcularse según la siguiente ecuación:
P=
A xb
a-b
(5.30)
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 95
Donde:
P: Caudal de purgas (kg/h)
A: Caudal de agua de aportación (kg/h)
= Caudal de vapor – caudal de condensados recuperados
a: Salinidad total en la caldera (ppm)
b: Salinidad total del agua de aportación (ppm)
Luego la pérdida de calor en las purgas es:
Pp =
P x h Pt
x 100
VCI x M C
Donde:
(5.31)
Pp: Pérdidas en purgas en % sobre el poder calorífico
hPt: Entalpía del agua de la caldera a la temperatura de saturación
correspondiente a la presión de trabajo (kJ/kg)
MC: Consumo de combustible (kg/h)
VCI: Valor calórico inferior del combustible (kJ/h)
La purga es una operación necesaria, pero no es menos cierto que con mucha frecuencia
no se toma en consideración adecuadamente y pueden ocurrir dos situaciones que
también afectan la operación del equipo y la eficiencia energética del proceso:
o Purgas excesivas: si la purga es mayor que lo requerido no es inconveniente para
el funcionamiento del generador ya que nivel de sólidos en la caldera es bajo, pero
sí repercute negativamente en el aspecto energético pues; provoca mayores
necesidades de agua de aportación, provoca más consumo de energía eléctrica
para el accionamiento de las bombas y provoca mayores pérdidas de calor que las
necesarias que representan un consumo extra de combustible.
MC extra =
Donde:
ΔP x hPt
VCI x η
(5.32)
ΔP: Preal - P
P real: Caudal de purgas real (kg/h)
P: caudal de purgas calculado por la Ecuación 4.30
η: Rendimiento del generador de vapor
Los otros términos de la Ecuación 5.32 ya han sido definidos en la Ecuación 5.31.
o Purgas mínimas: si la purga es menor que lo necesario provoca un aumento de
los sólidos totales con los efectos de arrastre de sales y agua en el vapor y la
formación de incrustaciones.
El Ejemplo 5.7 nos muestra los resultados negativos de una purga excesiva sobre el
consumo de combustible en la generación de vapor.
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 96
EJEMPLO 5.7 De acuerdo a los resultados del agua en el interior de la caldera que se encuentra en operación con una presión de trabajo de 7 kg/cm2 y que suministra vapor a los procesos de elaboración de cascos de toronja en almíbar y crema de frutas, se deben extraer 200 kg/h de purgas. Producto de una inspección al proceso de generación de vapor se detectó que se había extraído el doble de la cantidad de purga necesaria debido a negligencias del operador. Calcular el consumo extra de combustible. Consumo extra de combustible por purga excesiva: Datos: P real = 200 kg/h P = 100 kg/h (200 − 100) x 2,761.19
MC extra = (EC. 5.32) hPt (7 kg/cm2) = 2,761.19 kJ/h 42,466 x 0.80
VCI = 42,466 kJ/kg MC extra = 8,13 kg/h η = 0.80 Para una hora de operación se consumen 8.13 kg/h de combustible extra producto de una purga excesiva debido a negligencias del operador. De no haberse producido una inspección en el proceso de generación, lo cual es no es común que se realice, el consumo extra de combustible se incrementaría para un día de trabajo de ocho horas a: MC extra = 8.13 kg
h
x 8 = 65.04 kg/día h
día
Por lo tanto, la atención adecuada a esta operación y el establecimiento y control de medidas que contribuyan a su correcta ejecución, constituyen un punto potencial para evitar el sobreconsumo de combustible y en consecuencia, el incremento de los costos de operación. La selección adecuada del tratamiento (tanto interno como externo o ambos) del agua de
alimentación a la caldera favorece la reducción del nivel de purgas al mantener controlada
por un mayor tiempo la concentración de sólidos en el interior de a caldera. La reducción
en el nivel de purgas, supone además de un ahorro de agua tratada, la disminución de las
pérdidas de energía y combustible en las que se incurre al extraer agua con valor
energético agregado y añadir agua de alimentación a un a temperatura menor, la cual
requerirá energía para ser calentada hasta convertirse en vapor. La Figura 5.12 nos
permite estimar el ahorro de energía para diferentes presiones de operación cuando
reducimos la razón de purgas.
Otra vía que conduce a la reducción del caudal de purgas es la recuperación de
condensados, cuando se alcanza un 70 % de recuperación, las purgas se reducen hasta
en un 68 % en términos de caudal y las pérdidas de energía por purgas y condensados
disminuyen en un 70 % aproximadamente.
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 97
Figura 5.12. Ahorro de energía debido a la reducción en la razón de purgas teniendo
en cuenta diferentes presiones de operación.
5.7. Fugas de vapor
Una fuente importante de pérdidas de energía en los sistemas vapor son las fugas por los
diferentes componentes del sistema tales como bridas, válvulas, tuberías, funcionamiento
inadecuado de las trampas de vapor, etc. Las fugas de vapor no solamente provocan
pérdidas de energía, sino que también, causan caídas de presión en las redes de
distribución afectando la calidad del vapor que se suministra a determinado proceso y por
ende la eficiencia de este último.
La cantidad de vapor perdido (G) depende del tamaño del orificio y de la presión del vapor
y se puede calcular mediante la siguiente expresión:
G = 0.40 x d 2 P x (P + 1)
Donde:
(5.33)
G: Flujo de vapor que sale por el orificio (kg/h)
D: Diámetro del orificio (mm)
P: Presión manométrica del vapor (kg/cm2)
La pérdida de vapor puede expresarse en términos del combustible consumido para
generarlo:
G x hv
MCp =
(5.34)
η x VCI
Donde:
MCp: Masa de combustible perdido (kg/h)
hv: Entalpía del vapor que se escapa a su presión y temperatura
correspondiente determinado en tabla de vapor de acuerdo a la
condición de este (kJ/kg)
Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 98
VCI: Valor calórico inferior del combustible (kJ/kg)
η: Rendimiento del generador de vapor
EJEMPLO 5.8 El vapor que se suministra al proceso de refinación de alcohol destinado a la elaboración de ron es generado a 9 kg/cm2. En la línea de distribución, antes de ser reducida la presión del vapor que será utilizado en el proceso, es visible una fuga de vapor provocada por un orificio de 2 mm. Calcular la pérdida de vapor y de combustible, si el rendimiento del generador es de 82 %, el valor calórico inferior del combustible (VCI) es 40,604.20 kJ/kg y la entalpía del vapor es 2,776.16 kJ/kg. Pérdida de vapor: G = 0.40 x (2 )2
Pérdida de combustible 9 x (9 + 1) 15.18 x 2,776.16
(EC. 5.34) 0.82 x 40,604.20
MCp = 1.27 kg/h (EC. 5.33) MCp = G = 15.18 kg/h Asumiendo un nivel de funcionamiento de 12 horas 300 días al año: G = 15.18 kg
h
d
x 12 x 300 = 54,648 kg de vapor/año h
d
año
MCp = 1.27 kg
h
d
x 12 x 300 = 4,572 kg de combustible/año h
d
año
Haciendo uso de la Tabla 5.13 puede calcularse la cantidad de vapor por área del orificio
facilitándose así el cálculo para orificios de diferentes formas geométricas. Generalmente
en tuberías las pérdidas de vapor se dan en orificios circulares pero, en válvulas y bridas
estos suelen tener diferentes formas.
Tabla 5.13. Fugas de vapor por orificios para diferentes condiciones del vapor
Flujo de vapor (kg/h x mm2)
Presión (atm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Vapor con 2 % de 1.08 humedad 1.6 2.11 2.62 3.12 3.62 4.13 4.64 5.14 5.64 6.13 6.65 7.14 7.65 Vapor saturado 1.58 2.09 2.59 3.09 3.59 4.09 4.59 5.09 5.58 6.07 6.59 7.07 7.57 1.07 Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 5. Gestión Eficiente de la Energía Térmica 99
EJEMPLO 5.9 La válvula que da paso al vapor saturado (5 atm) que se utiliza en los tachos para aumentar el brix de la crema de mango, tiene un salidero de vapor debido a un orificio cuadrado de aproximadamente 2 mm de lado. Calcular la pérdida de vapor y de combustible si el rendimiento del generador es de 82 %, el valor calórico inferior del combustible (VCI) es 40,604.20 kJ/kg y la entalpía del vapor es 2,754.08 kJ/kg. Pérdida de vapor: De la Tabla 4.13 con P = 5 atm y vapor saturado, tenemos: kg de vapor/h x mm2 = 3.09 Pérdida de combustible MCp = 12.36 x 2,754.08
(EC. 5.34) 0.82 x 40,604.20
MCp = 1.02 kg/h Luego: G = 3.09 x 4 = 12.36 kg de vapor/h Asumiendo un nivel de funcionamiento de 12 horas 300 días al año: kg
h
d
x 12 x 300 = 44,496 kg de vapor/año h
d
año
kg
h
d
x 12 x 300 =3,672 kg de combustible/año MCp = 1.02 h
d
año
G = 12.36 Nótese que en los Ejemplos 5.8 y 5.9, se han calculado las pérdidas de vapor y
combustible producto a orificios de 2 mm teniendo en cuenta dos presiones diferentes y
los valores obtenidos sobrepasan los 1,000 kg de combustible al año, por lo que la
reparación inmediata, como parte de un programa de mantenimiento a las redes de
distribución, es oportunidad de ahorrar energía con un costo muy bajo.
5.8.
Aislamiento térmico
La distribución y uso del vapor requieren del aislamiento térmico para asegurar que se
satisfagan los requerimientos de los procesos. La correcta selección del sistema de
aislamiento térmico garantiza que el vapor generado en la caldera sea suministrado al
punto de uso a una correcta temperatura y presión, además de asegurar que las pérdidas
de energía permanezcan dentro de rangos razonables. La Tabla 5.14 muestra las
pérdidas térmicas en tuberías desnudas en aire en calma entre 10 y 21 oC, por unidad de
longitud. En instalaciones exteriores, las pérdidas pueden verse incrementadas de 3 a 5
veces. El aislamiento adecuado debe ser capaz de reducir las pérdidas al 5 o 10 % de los
valores de la Tabla 5.14, mientras que el efecto del viento es igualmente reducido.
Los materiales utilizados para el aislamiento térmico pueden ser divididos en cuatro
categorías: granular, fibroso, poroso y reflectante. Algunos de estos materiales aislantes y
el rango de temperaturas para el cual pueden ser aplicados se muestran en la Figura
5.13.
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Tabla 5.14. Emisión térmica para tuberías horizontales con temperatura ambiente
entre 10 y 21 oC y aire en calma
Diferencia de
temperatura
vapor/aire
o
C
56
67
78
89
100
111
125
139
153
167
180
194
Tamaño de tubería (mm)
15
20
25
32
40
54
68
83
99
116
134
159
184
210
241
274
309
65
82
100
120
140
164
191
224
255
292
329
372
79
100
122
146
169
198
233
272
312
357
408
461
103
122
149
179
208
241
285
333
382
437
494
566
108
136
166
205
234
271
321
373
429
489
556
634
50
65
80
100
150
132
168
203
246
285
334
394
458
528
602
676
758
155
198
241
289
337
392
464
540
623
713
808
909
188
236
298
346
400
469
555
622
747
838
959
1,080
233
296
360
434
501
598
698
815
939
1,093
1,190
1,303
324
410
500
601
696
816
969
1,133
1,305
1,492
1,660
1,852
W/m
Figura 5.13. Materiales aislantes y rango de temperaturas para el cual pueden ser
aplicados.
La habilidad de estos materiales para retardar el flujo de calor es expresada por su
conductividad térmica, bajos valores son característicos del aislamiento térmico.
Dependiendo del tipo de aislamiento la conductividad térmica puede variar con la edad,
fabricante, contenido de humedad y temperatura. Valores típicos son mostrados en la
Figura 5.14, donde la temperatura media es igual a la media aritmética de las
temperaturas en ambos lados del aislante.
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Figura 5.14. Conductividad térmica de materiales aislantes.
5.8.1. Acabado del sistema de aislamiento térmico
El aislamiento térmico requiere de un recubrimiento externo, conocido como acabado del
sistema de aislamiento, que proporciona protección contra la entrada de agua, daños
mecánicos y la degradación ultravioleta de espumas aislantes. Las pérdidas térmicas en
tuberías por donde se transporta vapor con un aislamiento saturado de agua, pueden ser
50 veces superiores que las tuberías expuestas al aire.
Los acabados, según las condiciones de uso y el tipo de aislamiento pueden ser
revestimientos (pintura, resinoso, polimérico), membranas (láminas de pequeño espesor
de metal, papel, tejidos) y chapas, planchas o láminas de metal, tejido o plástico. Los
acabados de metal son más duraderos, requieren menos mantenimiento, reducen las
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