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8/12/2019 Ahorro de energa y manejo de vapor
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Ahorro de energa ymanejo de vapor
Energy saving and steam management
ANDRES ECHEVERRY1
1. VR Ingeniera y Mercadeo. Car. 42 No. 14-60. Santaf de Bogot. Colombia.
138Palmas, Volumen 16, Nmero Especial, 1995
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DIMENSIONAMIENTO DE LAS TUBERIAS DEVAPOR
Para seleccionar el dimetro de las tuberas quevan a conducir vapor es importante tener en cuentalos siguientes elementos:
- Flujo de vapor- Longitud total del tramo- Condiciones del vapor (presin, temperatura y calidad)
Todo vapor que se conduzcapor una tubera sufrir unadisminucin de presin debida alas prdidas por rozamiento, por lotanto, y con base en los datosanteriores, se deber seleccionarel menor dimetro (menor
inversin) que en la longituddeterminada cause la menor cadade presin posible (menoresprdidas) usando velocidades detransporte del vapor recomendadas. Si se selecciona undimetro exagerado, se estarcumpliendo de sobra con losrequisitos tcnicos pero se estarincurriendo en costos no
justificables.
Las propiedades fsicas delvapor influyen notoriamente en el
dimensionamien to de las tuberas,
puesto que en la medida en que se
tenga el vapor a una mayor presin,
ste tendr una mayor densidad y
por lo tanto una misma masa de
vapor ocupar un menor volum en.
A manera de ejemplo, mientras
que 220 libras de vapor (100 kg) a
150 PSIa ocupan un volumen de
18,77 m3, a 50 PSIa ocupan 53 m3. De igual forma, un
vapora una misma presin pero de inferior calidad, ocu
par un menor volumen que un vapor de mayor calidad.
En resumen, para seleccionar el dimetro de una
tubera de conduccin de vapor se deben tener en cuenta
las siguientes consideraciones:
- Para grandes longitudes se deber buscar una mnima
cada de presin por metro, aumentando en lo posible
la presin del vapor a conducir para poder, de esta
forma, usar un menor dimetro. As se logra con lamenor inversin un buen montaje en el aspectotcnico.
Para distancias cortas, la cada de presin por metroadmitida podr ser mayor transportando el vapor a
una menor presin o usando un dimetro menor detubera.
De cualquier forma, para lograr el uso de un dimetrode tubera menor para una masade vapor determinada, con unacada de vapor autorizada sedeber:
- Transportar el vapor a la mayor
presin permisible.
- Usar la ruta tcnicamente mscorta con la menor cantidad deaccesorios.
- Para lneas de conduccinprincipales buscar dimetros detubera en los cuales la velocidaddel vapor oscile entre 6.000 y12.000 pies/minuto.
- Para equipos de calentamiento,la velocidad recomendada se
encuentra entre 4.000 y 6.000pies/minuto.
- Para serpentines fabricados enmateriales distintos al acero, serecomienda usar velocidades tanbajas como 1.500 a 2.000 pies/minuto a la entrada.
En la Figura 1 se encuentrauna gua completa para
preseleccionar los dimetros de tubera adecuados para
distintas capacidades de vapor a varias presiones. Luegode seleccionar el dimetro, se deber revisar en la Figura2 la cada de presin para la instalacin.
AISLAMIENTO DE LAS TUBERIAS
Un componente muy importante en el manejo devapor y en el ahorro de energa es el tratamientoadecuado del aislamiento de las tuberas conductorasde vapor, y de esta forma se evitarn prdidas de calor
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Figura 1. Dimensionamiento de las tuberas de vapor
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y problemas mecnicos asociados con la condensacindel vapor en las tuberas.
Una tubera sin aislar o mal aislada, fuera de lasprdidas de energa, genera problemas mecnicos por elaumento de condensados. Algunos de estos problemas
son:
- Al tener condensados adicionales a los producidospor los intercambiadores, las trampas de vapordebern desalojarlos teniendo que trabajar ms, conel consecuente desgaste y mayor mantenimientomecnico.
- Mayor desgaste de tuberas generado por el transportede condensados.
- Riesgo grande de golpes de ariete,
principalmente importante en tuberasmal drenadas.
A manera de ejemplo, se puede decirque en una tubera de 2" de dimetro, conuna longitud de 100 m, que transportevapora una presin de 145 psi, se perderpor condensacin, la energa equivalenterequerida para generar 180 kg de vapor/h.
Como ayuda rpida, en la Tabla 1 se
encuentra una matriz con la cual sepueden calcular las prdidas de calorestimadas para tuberas que transportanvapor a diferentes presiones y paradiferentes dimetros. Es importante anotarque en una tubera sin aislar, aun sin estar en condiciones crticas (expuesta alagua), las prdidas se pueden aumentaren cinco veces aproximadamente.
Para que la instalacin de un aislamiento resulteptima y se obtengan beneficios reales, se debern tener
en cuenta las siguientes recomendaciones:
- Aislar con la tubera, los accesorios adicionales talescomo bridas y otros. Una brida sin aislar causa unaprdida equivalente a la de 30 cm de tubera (sloimportante cuando el combustible es costoso).
- Trabajar el aislamiento de tal forma que por ningnmotivo ste se humedezca. La presencia de agua en
el aislamiento causa un aumento muy importante delas prdidas de calor, a la vez que si sta es continuada
y la tubera no tiene un uso continuo, se puedepresentar corrosin generalizada.
- No exagerar en el espesor del aislamiento, puesto
que al duplicar ste slo se reducen las prdidas enaproximadamente un 25% con respecto al espesororiginal.
VALVULAS REDUCTORAS DE PRESION
Lo primero y esencial es seleccionar el mejor tipo devlvula para cada aplicacin. Cuando se trate de
cargas pequeas, en las que no sea vital un control fino,pueden ser suficientes las vlvulasreductoras de accin directa. En losotros casos es mejor seleccionar una
vlvula con piloto, particularmente sise producen perodos sin demanda,durante los cuales no deba aumentarla presin de salida. Igual que sucedecon todas las vlvulas de control, sedebe evitar el sobredimensionamientode las vlvulas reductoras. Una vlvulaque trabaje habitualmente demasiadocerca de su asiento, puede sufrirerosiones por el paso constante devapor a alta velocidad. Adems, enesta posicin, cualquier pequeo
movimiento de esta vlvula producirun cambio de caudal relativamenteimportante. Con un modelo mspequeo, correctamente dimen-sionado, se obtendra un mejor ajustey el riesgo de avera sera menor.Cuando es necesario provocardescensos de presin muy importantes, es preferible hacerlo condos o ms vlvulas en serie.
Cuando las variaciones de carga son muy importantes.
es preferible trabajar con vlvulas en paralelo. Si bien eldimensionamiento es importante para el buenfuncionamiento de una vlvula reductora, tambin lo essu instalacin correcta, y puesto que la mayor parte delos problemas de una vlvula reductora son causadospor la presencia de humedad o suciedad, se han deinstalar, antes de la vlvula, un separador y un filtro demalla fina. El filtro debe ser colocado lateralmente paraevitar que el cuerpo se llene de agua y para garantizar
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que toda la superficie de filtracin sea efectiva. Lastuberas antes y despus de la vlvula sern del dimetroadecuado para evitar prdidas de cargas complementarias y excesivas. Las vlvulas de cierre debenser de apertura total o bien del mismo dimetro de lastuberas y no del de la vlvula reductora. Si la tubera o
la instalacin de salida no pueden resistir la presin deentrada, se debe instalar una vlvula de seguridad a lasalida de la vlvula reductora, regulada a la mximapresin que pueda soportar esta parte de la instalaciny adems con una capacidad de descarga de vapor iguala la que puede pasar a travs de la vlvula, totalmenteabierta, a esta presin mxima.
TRAMPAS DE VAPOR
Una trampa de vapor es un equipo auxiliar en lneaso equipos de calentamiento convapor, y su funcin consiste en evacuarlos condensados que se vanproduciendo, sin permitir el paso devapor. Segn el principio fsico que seuse para seleccionar el paso decondensados, las trampas se clasificanen los siguientes tipos:
- Operacin por densidadBalde invertidoFlotador y termosttica.
- Operacin por temperatura
Expansin lquidaBimetlicaPresin balanceada
- Operacin por energa cinticaTermodinmica de disco
Las ventajas, limitaciones y usosde estos tipos de trampa son:
Balde invertido
Aplicaciones tpicas:- Espirales de calentamiento sumergidos- Lneas de vapor a alta presin
Flotador y termosttica
Ventajas:- Descarga contina y rpida de condensados- Alta capacidad de venteo- Buena eficiencia (con alta y baja demanda)- Por su descarga contina no causa disturbios en
la presin del intercambiador, disturbios stos quepueden causar problemas en el control de latemperatura en calentadores de aire y otrosintercambiadores
- No se afecta con cambios en la presin de entrada
Limitaciones:
No se puede usar con vaporrecalentado si no se le pone unbimetlico especial
- Los golpes de ariete puedencausar daos en el flotador ytermostticoFalla en posicin cerrada
Aplicaciones:- Calentadores de aire y agua
calienteIntercambiadores de calor
Expansin de lquido
Ventajas:- Soporta golpes de ariete
Muy alta eficiencia trmica- La descarga a baja temperatura
elimina el revaporizado alrededorde los sistemasFalla en posicin abierta
Ventajas:
- Resistencia a los golpes de ariete- Trabaja en un rango amplio de presiones
Limitaciones:- Baja eficiencia por prdida de vapor cuando la
carga es variable- Baja capacidad de venteo de aire
Limitaciones:
- Su uso es casi l imitado a tanques dealmacenamiento
- Puede sufrir ataque corrosivo por los condensados- No es autoajustable a cambios de presin
Aplicaciones:- Serpentines de tanques de almacenamiento- Calentadores de tanques abiertos
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Bimetlica
Ventajas:
- Soporta golpes de ariete
- Alta eficiencia trmica cuando trabaja a bajas
temperaturas
- Las desca rgas a bajas temperaturas eliminan el
revaporizado
- Buen desempeo con vapor recalentado
Limitaciones:
- Baja respuesta a cambios de cargas
- Las caracters ticas del bimetlico pueden cambiar
con el uso, requiriendo mantenimiento
- Muchas no son autoajustables a cambios de
presin
Aplicaciones:
- Serpentines para tanques de almacenamiento
Presin balanceada
Ventajas:
- Buena capac idad de venteo
- Resistencia a daos con golpes de ariete o vapor
recalentado
- Mnimas portes
- Tamao pequeo para grandes capacidades
- Autoajustable: opera sin ajustes para todas las
presiones en su rango
- Opera en sistemas al vaco
Limitaciones:
- Limi tada resistencia a los golpes de ariete y a la
corrosin
- No aconsejable en aplicaciones en las cuales el
condensado deba ser expulsado tan pronto como
se forme
- Falla regularmente en posicin cerrada
Aplicaciones tpicas:
- Radiadores de vapor
- Espiral es sume rgid os de calent amient o que
trabajan a bajas presiones
- Esterilizadores
Termodinmica de disco
Ventajas:
- Compacta y de bajo peso
- Buen a resis ten cia a la cor ros in por su
construccin en acero inoxidable.
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- Alta resistencia al golpe de ariete
- Larga vida til
- Rango de pres iones de 3,5 a 1.740 psi
- Operacin eficiente bajo camb ios de carga y
presin
- Evita el inundamiento de equipos
Limitaciones:
- No puede traba jar al vaco
- El lmite permitido para la contrapresi n en la
descarga es el 50% de la entrada
- No recomendable para aplica ciones de baja
presin con vlvula de control de temperatura.
Aplicaciones:
- Drenaje de tuberas de alta presin y
supercalentadores
En la Tabla 2 se presenta una tabla para la seleccin
de trampas de vapor segn la aplicacin.
Dimensionamiento de las trampas de vapor
Las trampas de vapor se debern dimensionar de tal
forma que se logren evacuar totalmente los condensados
generados, teniendo en cuenta la presin de entrada del
vapor y la de descarga de los condensados . Por norma,
para cada tipo de trampa se debern tener en cuenta los
siguientes factores de seguridad.
Segn la presin existente en la lnea de retorno de
condensados se deber tener presente la siguiente
reduccin en su capacidad de descarga
Porcentaje de reduccin en capacidad
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Cuando se desee una aproximacin rpida para
dimensionar una trampa de vapor se podrn usar como
gua las siguientes frmulas:
Para calentamiento de agua con vapor:
Ibs condensado/h = GPM x -T en F
2
Para calentamiento de aceite con vapor:
Ibs condensado/h = GPM x -T en F
4
Para el calentamiento de aire:
Ibs de condensador/h = CFM x -T F
900
Normas de instalacin
Para una ptima utilizacin del vapor, donde se
combinen aprovechamiento en el proceso y ahorro de
energa, se debern tener en cuenta las siguientes
recomendaciones:
- En lo posi ble inst alar una tr amp a por cad a
intercambiador de calor en operacin.
- Nunca instalar una trampa en un nivel superior al del
in tercambiador en donde se producen los
condensados o poner estos durante el recorrido a
subir un trayecto. Esta prctica causar que el
intercambiador de calor permanezca lleno de
condensados la mayor parte del tiempo, ocasionando
bajas tasas de transferencia de calor.
- Instalar purgadores de aire para lograr una mxima
eficiencia del intercambiador.
- Siempre y cuando las temperaturas del proceso as
lo permitan , se debern disear los intercambiadores
con vapor a la ms baja presin posible, ya que el
calor latente del vapor aumenta en la medida que la
presin dism inuye , a la vez que la temperatura de los
condensados es menor, siendo menor la energa que
se pierde por este concepto.
- Cuando se trabajen intercambiadores a alta presin
es conveniente reutilizar los revaporizados para
disminuir prdidas por alta temperatura en los
condensados.
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R E T O R N O D E C O N D E N S A D O S Y
USO DEL REVAPORIZADO
El retorno de condensados en una planta deprocesamiento es de gran importancia por cuantoredunda en ahorros importantes de energa.
A manera de gua, unos condensados descargados
por una trampa de vapor de un intercambiador de calor
que trabaja a una presin de 100 psi, tienen una energa
aprovechable por kilogramo descargado de 10 kcal (39,68
BTU)
Dentro de los usos ms frecuentes que se le pueden
dar a los condensados, se encuentra el de
precalentamiento, que consiste en coger estos
condensados y, a travs de un serpentn ubicado en el
lado fro del producto a calentar, precalentar ste enfriando
los condensados.
Otra aplicacin importante, y sobre todo en las plantas
extractoras de aceite, es la de precalentar el agua de
alimentacin de la Caldera, obtenindose adicional a la
energa ya mencionada, un ahorro importante en los
costos de tratamiento de estas aguas.
Con un montaje de bombeo adecuado, la temperatura
del agua de alimentacin de una Caldera se podr elevar
a temperaturas por encima de los 100QC (con
desarreadores que trabajen a presin), logrndose llevar
las concentraciones de oxgeno disuelto a cero.
Adicionalmente, por cada kilogramo de condensado
recuperado que se lleve a la Caldera, se evita tratar esa
misma cantidad de agua en cuanto a dureza y slidos.
En la Figura 3 se encuentra una gua rpida para el
dimensionamiento de estas tuberas de retorno de
condensado para distintas presiones de operacin y
descarga.
A C U M U L A D O R E S Y D IS T R IB U ID O R E S
DE VAPOR
Una teora bastante difundida en el grem io palmicultores la de utilizar grandes acumuladores de vaporpara buscar amortiguar los aumentos sbi tos de demanda
de vapor generados por el llenado de autoclaves.
Para solucionar o amortiguar este inconveniente
asociado al proceso de extraccin del aceite de palma,
es ms importante, como se ver adelante, seleccionar
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adecuadamente el tipo de caldera y su capacidad y,optimizar el manejo de las autoclaves.
Sin dejar de reconocer que un acumulador de energade gran tamao en alguna forma tiene un efecto positivosobre el proceso, ste es despreciable si se corrigen los
problemas en su origen (generacin del vapor) y sudestino (consumo).
A manera de ejemplo, si se considera una planta queprocesa 10 t RFF/h y que tenga un consumo promedioestimado de 470 kg de vapor/t de fruto procesado, en
esta planta el consumo total ser de 4.700 kg/h y suponeque se dispone de una caldera de 400 BHP (5.400 kg/h).
Al tomar un acumulador lleno de vapor a 120 psig ycon medidas de 1,50 m de dimetro y 3 m de longitud, sepodr acumular la siguiente cantidad de masa.
Volumen del tanque = 5,3 m3
Volumen especfico del vapor a 134,6 psig = 0,207 m3/kg
Masa de vapor acumulada = 5,3m3/0,207 m3/kg = 25.6 kg
Figura 3. Dimensionamiento de lineas de condensado
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Si se libera el vapor contenido, reduciendo la presinhasta equilibrarla con la del esterilizador (40psig), setendr que en el tanque habr quedado:
Como el volumen especfico del vapor a 54,6 psig esigual a 0,488 m3/kg, la masa contenida por el recipiente
de 5,3 m3
a 40 psig ser de 10,84 kg, por lo tanto, la masaliberada de vapor por este acumulador ser de tan slo14,76 kg, valor este correspondiente al vapor generadopor la caldera en un lapso de aproximadamente 10segundos.
Con estos datos, aun si se consideraun acumulador de 9 m de longitud (3veces mayor en volumen), se habraumentado el vapor acumulado algenerado por la caldera del ejemplo en 30segundos.
Ahora bien, si realmente se requierenamortiguar picos, se podra tener unacumulador pero no de vapor sino deagua saturada que se encuentre a lapresin y temperaturas de saturacin.
Al usar el tanque del ejemplo anterior(5,3 m3y 120 psig), pero en vez de tenerlolleno de vapor se tiene lleno de agua, lamasa acumulada ser:
Volumen especfico del agua a esacondicin: 0,00112 m3/kg.
Masa de agua almacenada: 4.732,1 kg
Si a este tanque se le reduce la presin hasta 40 psig,la cantidad de vapor liberada se puede calcular con lasiguiente frmula:
Como el volumen del tanque es de 5,3 m3 (187,16pie3) se generarn aproximadamente 354,7 kg (780 Ibs)que comparados con los 14,76 kg en el de vapor significanun aumento importante, pero que si se compara estacifra con la capacidad de generacin de la Caldera y conel consumo de vapor en la planta, est sigue siendo un
valor pequeo.
Distribuidores de vapor
De los clculos anteriores se pude deducir que lamasa de vapor que se puede almacenar, aun en volumen
relativamente grande, es prcticamente despreciable, por lo tanto,al instalar distribuidores de vapor, lasnicas consideraciones que sedebern tener en cuenta son lasrelativas al tamao fsico y al nmero
de tuberas a conectar al distribuidor,y a la facilidad de evacuar loscondensados producidos en lastuberas usando la trampa de vaporcorrespondiente.
CONSUMO DE VAPOR ENPLANTAS EXTRACTORAS
Es norma comn, hoy en da,asociar el porcentaje deextraccin de aceite en una planta
extractora con la disponibilidad devapor para cubrir todos sus re
querimientos, es por esto, que el determinar o saberestimar el consumo de vapor puntual o promedio de unaplanta extractora sea de vital importancia y an ms,manejarlo adecuadamente.
En una instalacin tpica, el vapor se usaprincipalmente para el calentamiento directo(esterilizadores, digestores) o indirecto (manejo del aceiteen sus distintas etapas o almacenamiento) o paraprocesos de secamiento, de ah que el clculo terico del
consumo de vapor sea un proceso relativamente sencillo,si se tiene el flujo de aceite dentro de la planta, lastemperaturas a manejar y el porcentaje de agua a extraerde los productos a secar.
Dado que, por norma general, en una planta extractorade aceite sobra el combustible, en muchas ocasiones nose le da una real importancia al manejo del vapor,controlando su consumo sobre todo en los usos donde serequiere vapor vivo. Es verdad que en estos casos un
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ahorro de energa no pareciera importante por s mismo,
pero si se cuantifican los puntos de extraccin sacri ficados
o el fruto dejado de procesar por bajones de presin en
el suministro de vapor para la planta, se encontrar que
este aspecto es de vital importancia en una planta
extractora.
Es por este motivo que en este captulo se hablar
principalmente del cuidado y de las ventajas que se
obtienen al cont rolar las descargas sbitas de vapor que
causan este problema.
Como datos promedios en plantas estndar, se
encuentra como tpicos los siguientes consumos por
tonelada de fruto procesado:
El consumo total en la planta sin esterilizadores: 250
kg de vapor por tonelada de fruto procesado.
Estos consumos no merecen mayor comentario,
distinto al cuidado que se debe tener en las instalaciones,
para que todos los procesos de calentamiento se lleven
a sus temperaturas correctas y as lograr un rendimiento
ptimo en la planta.
Resumiendo lo dicho anteriormente, una cada de
presin en el vapor, generada por mal dimens ionamiento
de Caldera o tuberas de conduccin o por un manejo
inadecuado de los esterilizadores, conlleva los siguientes
problemas en los procesos de calentamiento.
- Menor es tasas de tran sfer enci a de calor por
disminucin del diferencial de temperatura entre el
vapor y el producto.
- Incapacidad de las tuberas para transportar el vaporrequerido por estar ste a una presin menor a la de
diseo.
- Menor flujo de vapor a travs de placas de orificio,
tuberas o eyectores causada por la disminucin del
diferencial de presin.
- Incapacidad de las trampas de vapor para evacuar
condensados cuando la presin de entrada disminuye.
Este fenmeno llega a ser particularmente grave
cuando la trampa permite la inundacin delintercambiador, llegndose en casos extremos a
anular completamente.
Consumo de esterilizadores
Ya que es este el punto donde se centrar la atencin,
por su importancia dentro de la calidad del proceso y por
la posibilidad de generar problemas, se va a trabajar un
ejemplo para una planta que procese 20 tRFF/h y se
calcula r la operacin con uno, dos o tres esterilizadores.
Al tomar como consumo promedio estndar 220 kgde vapor/t en la esterilizacin, se tendr:
Consumo total promedio de otros usos: 5.000 kg/h
Consumo promedio de esterilizadores 4.400 kg/h
Total consumo promedio de la planta: 9.400 kg/h
Ejemplo con un esterilizador:
Para lograr un flujo continuo (20 t/h) de fruto a las
prensas, se deber conta r con un esteril izador que logremanejar 24 tRFF en un tiempo no mayor a 70 minutos
(incluidos tiempos muertos).
Al tomar los tiempos de esterilizacin de un ciclo
terico de 12 minutos por pico, con tres picos, 6 minutos
en descargas totales y un mantenimiento de 18 minutos,
se tendr:
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Si de la grfica anterior se toma el consumo ms altoy se le suma el consumo del resto de la planta, se obtieneque para sortear el pico sin perjudicar el proceso se debedisponer, al menos durante los picos de llenado, de unacantidad de vapor de 14.134 kg/h de vapor.
Ejemplo con dos esterilizadores:
Si se utilizan los datos del ejemplo anterior y sedividen en dos esterilizadores, cada uno de la mitad dela capacidad, encontrar que el consumo de vapor paracada una de las fases de la esterilizacin en trminos dekg/h de vapor con un ciclo igual ser de:
se tendr que en cada ciclo se debern cocinar 9.559 kgde fruta.
Para un esterilizador con 9.550 kg de fruta en lostiempos sealados, los consumos, en trminos de kg/hsern:
Al cumplir la condicin propuesta de tener nicamenteun pico y un perodo de bajo consumo superpuestos, setendr un consumo mximo pico en esterilizacin de4.977 kg/h que sumado al consumo de planta da comoresultado un consumo mximo pico de 9.977 kg/h para eltotal de los usos.
Al sumar los consumos de vapor delos dos esterilizadores, despus decoordinar los tiempos de tal forma quenunca se crucen dos picos al mismotiempo, se obtendr un consumo mximode esterilizadores de 6.274 kg/h, quesumados a los 5.000 kg/h de la plantadar un consumo mximo pico de 11.274kg/h, cifra sta que representa un ahorrodel 20% en el consumo sobre el ejemploanterior.
Ejemplo con tres esterilizadores:
Conclusin
Al observar los tres ejemplosanteriores, uno se da cuenta de que enel primero, el consumo pico equivale al150% del consumo promedio estimadopara el total de la planta; para el segundo,este valor se reduce al 120%, siendopara el tercer caso tan slo del 106%.
Si en lugar de usar dos esterilizadores se pasa a tres,y se buscan los tiempos y cantidades de fruta con lascuales se organice la operacin de tal forma que siempreestn simultneamente un autoclave en pico y uno enmantenimiento, se tendrn los siguientes resultados:
Para lograr la capacidad de 20 t/h, cada esterilizadordeber procesar una tercera parte de este fruto, lo queequivale a 6.667 kg/h.
Si se combina el inicio de cada esterilizador de talforma que se cumpla la condicin de mantener uno enpico y uno en perodo de bajo consumo, se encuentra queel tiempo transcurrido entre cada ciclo completo de unesterilizador deber ser de 86 minutos (se asumen losmismos tiempos del ciclo de los ejemplos anteriores).
Si la duracin de cada ciclo es de 86 minutos y elconsumo de la planta por esterilizador es de 6.667 kg/h,
En cualquiera de los ejemplos, la
caldera de la planta deber ser seleccionada para cubrir la demanda pico,bien sea asumiendo el manejo con
cadas de presin bruscas (manejo inadecuado) o con lacapacidad suficiente.
SELECCION DE CALDERAS
Para seleccionar la caldera adecuada que se requierepara una planta nueva o para una ampliacin, sedeber, como se vi anteriormente, tener muy en cuentael consumo promedio y el pico de la planta, la longitud de
las tuberas entre la Caldera y los centros de consumoimportantes y las necesidades trmicas del proceso.
Los datos que se debern conocer con plena exactitudantes de tomar la decisin de compra de una Caldera queva a operar en una planta extractora de aceite de palmason:
- Masa de vapor requerida por el total del proceso,relacionando la capacidad promedia con los consumos
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picos, la duracin de stos y su influencia en elproceso.
- Presin requerida por el proceso para garantizar lascondiciones de transporte del vapor, temperatura enlos productos a calentar y funcionamiento adecuado
de las trampas de vapor.
- Cantidad de combustible, tipo y su humedad
Cantidad de vapor requerida
Al hacer el anlisis del vapor requerido se debertener en cuenta la relacin que existe entre un caballo deCaldera (BHP = Boster Horse Power), la temperatura delagua de alimentacin y la cantidad de vapor producidapor la Caldera.
Por definicin, un caballo de Caldera es una unidadde energa que equivale a 33.475 B.T.U./h, loque significaque una Caldera transforma en una hora esta cantidad deenerga (del combustible al agua), convirtiendo agua apresin en vapor saturado a la misma presin. Para estatransformacin del agua en vapor se requieren bsicamente dos pasos: Primero, calentar el agua desde latemperatura de evaporacin a la presin de operacin dela Caldera, y como segundo paso suministrarle el calorlatente de vaporizacin al agua calentada para convertirlaen vapor saturado.
A manera de ejemplo, si se tiene agua a 209
C y unapresin en la Caldera de 100 psia (85,3 psig), la energarequerida por el agua para convertirse en vapor ser:
A. Calentamiento.
La temperatura a la cual evapora el agua cuando seencuentra a 100 psia, es de 327,82F (164,34QC). Parauna libra de agua que se calienta desde 20QC (68F)hasta 164,34C (327,82F) la energa requerida es :
Q= m cp AT=1 Ib x 1 B.T.U x (327,82 - 68)FlbF
Q= 259,82 B.T.U.
B. Evaporacin
Teniendo el agua caliente, se le deber suministrar laenerga requerida para evaporarla completamente. Delas tablas de vapor, la energa requerida para evaporaruna libra de agua a 100 psia es de 888,6 B.T.U.
Palmas, Volumen 16, Nmero Especial, 1995
sumando: A(calentamiento) + B (evaporacin) elresultado es: 1.148,42 B.T.U./lb.
Como por cada caballo de Caldera (BHP) se disponede 33.475 B.T.U./h, se tendr que en una hora se podrevaporar la siguiente masa de agua:
m= 33.475 B.T.U./h = 29,15 Ib/h1.148,42 B.T.U./lbm
Si se revisa con atencin el ejemplo, se ver que amedida que se caliente ms el agua de alimentacin, laenerga necesaria para el calentamiento previo a laevaporacin ser menor y por lo tanto la Calderaevaporar ms masa de agua por caballo.
En la siguiente tabla se encuentra una gua rpidapara obtener el dato de las Ibs o kg hora de vapor
producidos por BHP a distintas temperaturas.
Observaciones:
- Dentro de un amplio rango de presiones, a medida
que sta aumenta, el agua requiere ms energa de
calentamiento pero menos energa de evaporacin,
siendo finalmente la suma casi constante para
cualquier presin.
- Como definicin terica (NO PRACTICA) se dice que
un caballo de Caldera equivale a 34,5 libras, siendo
esto cierto nicamente cuando se tiene evaporacin
a 0 psig y temperatura de agua de alimentacin de100C(212F).
Presin
Como se sabe, la temperatura del vapor tiene una
relacin nica e inequvoca con la pres in, por lo tanto si
se requieren unas condiciones de proceso determinadas,
se deber seleccionar la presin adecuada del vapor que
cumpla con las necesidades planteadas en el proceso. A
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esta presin seleccionada, se le debern sumar las
prdidas calculadas en tubera y se hallar la presin
mnima de operacin de la Caldera.
Combustible
El combustible de las plantas
extractoras es, como se sabe, un
subproducto del proceso que se consume
directamente y que no es posible
dosificarlo ni guardarlo. Su produccin
depende nicamente del fruto que pasa
por las prensas, que en la mayora de los
casos est en equilibrio con toda la
operacin de la planta pero que no siempre
es as. An en los mejores casos, cuando
lo que se esteril iza se prensa, el
combustible pasa en cantidades algo
caprichosas que nunca se pueden
balancear para suministrarle a la Caldera
nicamente (ni ms ni menos) lo
requerido. Es esta la razn por la cual al
seleccionar la Caldera se deber buscar
un equipo con una alta capacidad, de tal
forma que absorba energa en los picos
de mayor suministro de combustible, para
luego salir de ella cuando hay poco combustible.
Como se vi anteriormente, la mejor forma de
almacenar energa es en agua que se encuentre a la
presin y tempera tura de evaporacin requeridas, y esto
se consigue en Calderas que tengan un g ran volumen de
agua.
Una Caldera con poca agua almacenada tendr
fluctuaciones constantes de pres in, debidas al suministro
irregular de combustible; y una caldera con exceso de
agua tendr unos tiempos de encendido demasiado
lentos, y por lo tanto deber buscar un equilibrio con
unidades que tengan tiempos de encendido de
aprox imadamente una hora trabajando al 50 - 60 % de su
capacidad nominal.
Hasta ahora se ha mencionado sin mucha relacin
entre s: masa de vapor, presin y combustible, y sin
relacionar estas magnitudes con plantas extractoras. El
objetivo de esta introduccin terica es la de darle a la
persona que busca una Caldera, argumentos tcnicos
suficientes para lograr seleccionar adecuadamente su
Caldera teniendo en cuenta las siguientes conside
raciones tcnico-econmicas.
Como se vi en el ejemplo de esterilizadores, el
consumo de vapor en una planta extractora, segn sea
diseada puede ser estable, con ligeros picos o con
grandes picos.
Si el consumo es muy estable, se
deber seleccionar una Caldera cuya
capacidad nominal sea cuando menos
un 120% de la capacidad de demanda
de la planta y deber operara la presin
calculada con el procedimiento ya
descrito.
Si la planta trabaja con picos, hay
dos formas de trabajarlos. Una es la de
seleccionar la capacidad de la Caldera
con el tope del pico, y la otra es
seleccionar una capacidad menor pero
con una presin mayor a la requerida
para absorber los picos va cadas de
presin.
Si se opta por la segunda alternativa,
se deber tener en cuen ta la frecuencia
de los picos y el espaciamiento entre
ellos, previendo que la caldera se
deber recuperar entre uno y otro para no provocar una
cada continuada de presin que llegue a perjudicar la
operacin de la planta. El operar una caldera forzando su
capacidad para recuperar cadas de presin en picos
genera problemas de contaminacin, partculas en
chimenea y deterioro de la mquina.
Medicin de la eficiencia y la capacidad
de la caldera
Para finalizar el tema de Calderas, en esta seccin se
darn unas breves indicaciones de cmo determinar la
produccin de vapor de una Caldera y su eficiencia
aproximada. Con la combinacin de estos dos datos se
podr determinar, en caso de tener problemas, si estos
se encuentran en la capacidad de la Caldera o en su
operacin.
Medicin de Caudal
La forma ideal de medir la produccin de vapor de una
Caldera es usar un tubo pitot con un transductor de
presin y medir directamente el flujo o la diferencia de
presin y calcular el flujo con la siguiente frmula:
Caudal (Ib/h) = 359,1 x K x D2i x v (densidad x A P)
152Palmas, Volumen 16, Nmero Especial, 1995
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Donde K es una constante suministrada por el
fabricante del tubo pitot.
Este equipo completo tiene un costo de $6'500.000,oo
y garantiza una lectura exacta a cualquier condicin del
vapor, cuando tiene corrector de presin.
Si no se dispone de equipos para medir el flujo de
vapor, se puede medir el con sumo de agua de la Caldera
teniendo el cuidado de medir la consumida por la bomba
mientras est prendida y tomar los tiempos de bomba
prendida y bomba apagada. De esta forma se sabr el
consumo de agua en el tiempo, obteniendo los datos
instantneos y promedio. Con esta medida se deber
tener el cuidado de medir la cantidad de agua presente
en el vapor (recolectar el agua evacuada por la trampa en
el distribuidor de la Caldera) para obtener el vapor neto
producido til a la planta.
Medicin de la eficiencia
Dada la dificultad que existe para medir la cantidad de
combustible y poder relacionar ste con el vapor
producido, una forma de establecer la eficiencia de la
operacin de la Caldera se consigue midiendo y
relacionando el aire de combustin con la temperatura
de gases en chimenea.
En la tabla siguiente se encuentran relaciones
tabuladas para Calderas operando con fibra de palma
como combustible.
Eficiencia en calderas
Poder calorfico de fibra
Inferior 2.891 kcal/kg 5.204 B.T.U. /lb
Superior 3.326 kcal/kg 5.986 B.T.U./lb
Prdidas= Q(gases de combustin) + Prdidas por
radiacin y conveccin caldera +
Prdidas por inquemados
Eficiencia calderas en porcentaje
*** Valor solo terico, se necesita minimo un 40% de exceso de airepara combustin completa.
El combustible sobrante al pasar de 66% a 78% de
eficiencia es 15%.
COGENERACION DE ENERGIA ELECTRICA
Definicin - Se entiende como cogeneracin en una
instalacin industrial, cuando parte de la energa de
presin del vapor generado por una caldera es usada en
una primera estacin para generar energa elctrica o
mecnica en una turbina lograda mediante la expansindel vapor y luego, en una segunda estacin en el
proceso, la restante se usa para producir energa trmica
(calentamiento).
Energa disponible por tonelada de
fruta procesada
Por cada tonelada de fruta procesada se obtienen
tres subproductos susceptibles de ser utilizados como
fuentes de energa, hacindolos entrar en combustin.
Estos subproductos son: Fibra, Cascarilla o cuesco y
Raquis.
Los poderes calorficos netos entregados por cada
uno de estos combustibles son:
Fibra: 2.800 kcal/kg con humedad del 35 %
Cuesco: 4.500 kcal/kg
Raquis: 1.400 kcal/kg
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Si se tiene que en promedio, por cada tonelada de
fruto procesado quedan 140 kg de fibra y 85 kg de
cuesco, esto da como resultado que la energa disponible
total es de 774.500 kcal, que utilizados adecuadamente
en una caldera, generarn netos aproximadamente 978
kg de vapor. Para procesar esta tonelada de fruto se
requieren apenas (en promedio) netos, segn losconsumos estndar, 470 kg de vapor y 25 kW-h de
energa elctrica.
Si se asume, como dato aproximado, que se requieren
unos 30 kg de vapor por kW-h (turbina de eficiencia
moderada), se tendr que para generar la energa
requerida para procesar esa tonelada de fruto se necesitan
750 kg de vapor, que son perfectamente generables por
la instalacin. Es importante anotar que en estos clculos
preliminares globales no se ha contado con la energa
disponible en el raquis.
Desde el punto de vista puramente trmico y de
generacin elctrica, una planta extractora es capaz de
generar su propia energa.
Clculo terico de la mxima cantidad de
energa producida por una instalacin
Con base en la teora general de turbinas, y como
gua para determinar la mxima capacidad a generar en
una instalacin cualquiera, se tiene:
Informacin Requerida:
Mxima presin a la cual se puede generar el vapor,
y si es saturado o recalentado.
Mnima presin a la cual se pude usar el vapor del
tubo de escape de la turbina en el proceso.
Cantidad de vapor generado.
En un diagrama de Mollier (ver ejemplo), se ubica el
punto en el cual se encuentra el vapor generado y se
resea la entalpia en esa condicin (usar el dato de lapresin absoluta).
Como segundo paso, y asumiendo que el vapor se
expande en la turbina en forma isoentrpica, se busca el
punto del vapor a la descarga y se lee el dato de su
entalpia (usar el dato de la presin absoluta).
Con los datos de las entalpias obten idas, se realiza el
siguiente clculo:
kW = m(h1 - h2) x 0,50
3.414,4
en donde:
m = Vapor generado en Ib/h
h1 = Entalpia del vapor a la entrada en B.T.U./lbh2 = Entalpia del vapor a la salida en B.T.U./lb
Al realizar estos clculos se debern tener en cuenta
los siguientes aspectos colaterales que pueden afectar
el proceso:
- Cmo se afecta el proceso trabajando con vapor a
una presin.
- Examinar la humedad del vapor obtenido luego de la
expansin en la turbina. El vapor hmedo tiene
menor energa que el vapor saturado, y en la medidaque la humedad aumenta, la energa disponible
disminuye.
A continuacin y a manera de gua rpida se presenta
una tabla en la cual se puede leer la capacidad terica de
congeneracin elctrica para distintos tamaos de plantas
extractores de aceite de palma.
NOTA: Los valores anteriores deben tomarse nicamente comoguia. Las producciones reales dependen de la eficienciaespecifica de la turbina y del generador elegidos.
ANALISIS ECONOMICO PARA UNPROYECTO DE CONGENERACION
Para este anlisis se ha trabajado sobre ejemplospara plantas con capacidades de 10 y 20 t/hr y encada ejemplo se han supuesto tres eventos distintos
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dependiendo de la necesidad o no de cambiar o comprar
Caldera nueva o planta diesel nueva.
Anlisis de inversin vs. costo de
generacin con dieselEjemplo 1
Produccin anual
Capacidad fbrica
Horas- ao de planta
Capacidad instalada
Capacidad promedio
45.000 t
10 t/h
5.175 h
275 kW
217 kW
Valor planta SUS 47.784,00
Costo/h
Consumo de
combustible 0,075 gls/kw -h $1,00US/gl $16,30
Lubricantes
Cambio de aceite
(volumen carter) 10 gls $6.00 US/gl $0,24
Intervalo de
cambio aceite 250 h
Overhaul 30 % Valor planta
Intervalo 11.000 h
$1,30
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