Ahorro de energía y manejo de vapor

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

Palmas, Volumen 16, Nmero Especial, 1995

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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.


- 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

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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.


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)



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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

Palmas, Volumen 16, Nmero Especial, 1995 153


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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

154 Palmas, Volumen 16, Nmero Especial, 1995


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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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Documents

Ahorro de energía y manejo de vapor