DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO DE LOS PROCESOS PRODUCTIVOS DE LA PANELA EN COLOMBIA

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1 DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO DE LOS PROCESOS PRODUCTIVOS DE LA PANELA EN COLOMBIA Héctor Iván Velásquez Arredondo 1 ; Farid Chejne Janna 2 y Andrés Felipe Agudelo Santaaría 3 RESUMEN El consuo de panela en Colobia es el ás alto del undo (CORPOICA-FEDEPANELA, 2000) y su producción una de las principales actividades agrícolas de la econoía nacional. A pesar de esto, el uso de los recursos energéticos en este sector ha sido deficiente (ICA, 1986; CORPOICA, 1996). Por esto varios grupos de investigación e instituciones han propuesto diseños alternativos para los sisteas productivos de panela. En este artículo se hace una evaluación del consuo energético en estos y otros sisteas. Se desarrollan balances de asa y energía y se definen índices para diagnosticar el desepeño energético de las instalaciones. Se encuentra que el grado de desarrollo tecnológico y el estado de la infraestructura influyen directaente sobre la eficiencia energética del proceso y que se pueden lograr ejoras considerables en el uso de la energía por edio de odificaciones sencillas y sobre todo ediante un buen diseño térico de los sisteas, coo se prueba con una hornilla de construcción reciente diseñada por uno de los autores. Palabras Clave: Hornilla, producción de panela, balances de asa y energía, eficiencia energética. ABSTRACT DIAGNOSTIC ENERGY OF THE PRODUCTIVE PROCESSES OF PANELA IN COLOMBIA Unrefined sugar consuption in Colobia is the highest in the world (CORPOICA-FEDEPANELA, 2000) and its production is one of the ain agricultural activities of the national econoy. In spite of this, the use of energy resources in this sector has been deficient (ICA, 1986; CORPOICA, 1996). For this reason, various research groups and institutions have proposed alternative designs for unrefined sugar production systes. This article evaluates the energetic consuption in these and other systes. Mass and energy balances are developed and indexes are defined for diagnosing energy perforance of the facilities. 1 Profesor Asistente. Universidad Nacional de Colobia, Sede Medellín. Facultad de Minas. Escuela de Procesos y Energía. A.A. 1927, Medellín, Colobia. <hivelasq@unaled. edu.co> 2 Profesor Asistente. Universidad Nacional de Colobia, Sede Medellín. Facultad de Minas. Escuela de Procesos y Energía. A.A. 1927, Medellín, Colobia. <fchejne@unaled. edu.co> 3 Investigador Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía. Universidad de Antioquia. A. A. 1226, Medellín, Colobia. echanikles@yahoo.co Recibido: Marzo 11 de aceptado: Noviebre 13 de 2004.

2 It is shown that the degree of technological developent and the state of infrastructure directly influence the energy efficiency of the process and that it is possible to considerably iprove energy use by eans of siple odifications, especially thorough a good theral design of the systes, as has been shown in a recently-built oven designed by one of the authors. Key words: Oven, unrefined sugar production, ass and energy balances, energy efficiency Noenclatura B: Grados Brix CH: Porcentaje de foración de chachaza c p : Calor específico a presión constante : Flujo de energía [kw] [kj/kg K] EM: Nivel de extracción del olino [%] h: Entalpía específica [kj/kg] : Flujo ásico [kg/s, kg/h] n : Núero de oles p : Presión [bar] PCI: Poder calorífico inferior [kj/kg] w : Huedad en el bagazo Caracteres griegos φ : Huedad relativa ω : Huedad absoluta [kg v /kg as ] Subíndices a : Agua ab : Agua en el bagazo as : Aire seco bar : Baroétrica bs : Bagazo seco ch : Cachaza fg : Relativo a la evaporación g : Vapor de agua saturado gs : Gases secos de cobustión r : Residuos aa : Agua en el aire ae : Agua evaporada at : Agua en los gases de cobustión bh : Bagazo húedo ca : Caña de azúcar f : Agua líquida saturada jc : Jugo clarificado gen : Generado en la cobustión p : Panela v : Vapor de agua en el aire INTRODUCCIÓN En el undo cerca de treinta países producen panela. Colobia es el segundo productor después de la India, con un voluen que representa ás del 9% de la producción undial registrada por la FAO. En térinos de consuo por habitante, Colobia ocupa el prier lugar con un consuo proedio de 31 kg de panela por persona al año, cantidad que supera en ás de tres veces a otros consuidores iportantes (Corporación Colobiana de Investigación Agropecuaria (CORPOICA), 2000). La producción de panela es una de las principales actividades agrícolas de la econoía nacional, entre otras razones por su participación significativa en el Producto Interno Bruto (PIB) agrícola, por la superficie dedicada al cultivo de la caña, la generación de epleo rural y su iportancia en la dieta de los colobianos. En el país se estia que existen cerca de unidades agrícolas que cultivan caña para la producción panelera y aproxiadaente trapiches en los que se elaboran panela y iel de caña (Central de Insuos y Materias Prias para la Industria Alientaria Ltda. (CIMPA), 1992); Henao, Moreno y Olarte 1999). La ayoría de las actividades de producción se realizan dentro de esqueas de econoía capesina en unidades de pequeña escala, con alto uso de ano de obra y bajos niveles de

3 inversión en ejoras tecnológicas. Dado el problea de ineficiencia energética (Instituto Colobiano Agropecuario (ICA), 1986); CORPOICA, 1996) en uchos trapiches no basta con el bagazo producido y se eplea leña o llantas usadas coo cobustible adicional para suplir la deanda energética del proceso (CIMPA, 1992). La preocupación por el agotaiento de los recursos y la containación abiental, ha llevado a que diferentes instituciones realicen nuevos diseños de hornillas y procesos productivos con ayores eficiencias energéticas. En este trabajo se presenta una evaluación energética basada en la priera ley de la terodináica para algunas de las alternativas planteadas. ANTECEDENTES En trabajos anteriores donde se han realizado ediciones energéticas en hornillas paneleras sin ninguna odificación tecnológica se encuentran los siguientes resultados: la eficiencia térica de las hornillas oscila entre el 15 y 30%, las pérdidas por chienea son del 70 al 90%, la teperatura de salida de los gases de cobustión está entre 450 y 700 C, los porcentajes de exceso de aire son enores del 20% o ayores del 100%. (ICA Y Federación de Cafeteros (FEDECAFE), 1986). En evaluaciones realizadas una década después, se encuentran los siguientes resultados: las pérdidas por chienea son del 30%, la teperatura de salida de los gases de cobustión son cercanas a 700 C, la foración de CO alcanza un valor proedio de 10%, las pérdidas por las paredes son del 7%, y una eficiencia térica proedio del 20 al 25% (CORPOICA, 1996). METODOLOGÍA Se toa una uestra de una docena de trapiches en varias regiones del país que recoge hornillas tradicionales y aquellas que se han intervenido tecnológicaente, adeás se estudian procesos productivos de panela con principios tecnológicos diferentes a las hornillas. Para cubrir la variedad de procesos productivos se han seleccionado una hornilla tradicional antigua, una de construcción reciente, 4 con odificaciones tecnológicas, y 2 trapiches con proceso productivo diferente (con vapor). En la Tabla 1 se presentan los trapiches estudiados con sus principales características. Para realizar los cálculos necesarios se hicieron ediciones de flujos ásicos de caña procesada, bagazo, panela y cachaza producida; condiciones abientales: presión baroétrica, huedad relativa y teperatura abiente; teperaturas de entrada del jugo clarificado, agua evaporada, punto de panela y cachaza producida; coposición y teperatura de los gases de cobustión; presión estática y de velocidad en la chienea (Seyour, 1971); grados Brix del jugo de la caña y la panela, y algunas pruebas de laboratorio realizadas en el Laboratorio de Carbones de la Universidad Nacional sede Medellín tales coo: huedad, coposición eleental, poder calorífico del bagazo, y pruebas de no queados en las cenizas. El poder calorífico se confrontó con estándares internacionales (Sugar Engineers Library, 2004).

4 Tabla 1. Trapiches evaluados en el diagnóstico de los procesos productivos de panela en Colobia. Designación Tipo de trapiche Características T1 T2 T3 T4 T5 Tradicional antiguo Tradicional recién construido Tradicional tipo Cipa Tradicional con dos bocas de alientación Tradicional con soplador Hornilla en flujo paralelo. Construido a principios del siglo XX, característico de Antioquia. Funciona con criterios ás artesanales que industriales. Hornilla en flujo paralelo construida en 1998 con criterios industriales. Hornilla en contraflujo diseñada por el CIMPA. Hornilla en contraflujo no convencional diseñada y construida por CORPOICA en el año Hornilla tradicional en contraflujo con ventilador en la entrada (soplador) para originar un tiro forzado en el aire de alientación. T6 Trapiche Gipun Hornilla en contraflujo diseñada por el GIPUN. T7 T8 Proceso con vapor De triple efecto Proceso anejado con criterios industriales, utiliza el vapor de agua generado en calderas coo fuente energética para la evaporación del jugo de caña. Proceso anejado con criterios industriales, utiliza el vapor de agua generado en calderas coo fuente energética con evaporación al vacío del jugo de caña. MODELO PARA EL DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO DE LOS TRAPICHES Para evaluar y coparar el funcionaiento energético de los trapiches es necesario realizar los balances de asa y energía en los procesos productivos (Jones y Dugan, 1997). Balance de asa. En el balance ásico de la cobustión se considera que entran bagazo húedo y aire a la cáara de cobustión y salen gases de cobustión y residuos. En el proceso productivo se considera que entra jugo de caña clarificado y salen vapor de agua, panela y cachaza (Figura 1). bs ab as aa Cobustión gs at r jc Proceso ae ch p Figura 1. Flujos ásicos a través del sistea, durante la producción de panela.

5 La ecuación de conservación de asa en el proceso de cobustión será: (1) bs ab as aa gs at r En esta expresión los flujos ásicos de izquierda a derecha corresponden a bagazo seco, agua en el bagazo, aire seco, agua en el aire, gases de cobustión secos, agua en los gases y residuos. El flujo ásico de agua en el bagazo, se obtiene de la siguiente anera: ab ( w) 1 (2) Donde w es la huedad en el bagazo y el subíndice bh se refiere al bagazo húedo. bs bh El flujo ásico del aire seco se calcula a partir del análisis Orsat de los gases de cobustión y de la coposición eleental del bagazo seco deterinada experientalente C H O ) ( N Coo el bagazo prácticaente no contiene nitrógeno, se asue que todo el nitrógeno presente en los gases de cobustión proviene del aire atosférico. Esto perite tabién conocer la cantidad de oxígeno en el aire: por lo tanto: 0.21 O 2 n aire N 2 gases (3) 0.79 ( ) ( ) + (4) as O 2 N 2 La huedad del aire se puede deterinar a partir de las ediciones de teperatura abiente y huedad relativa. La huedad absoluta se puede calcular coo (Wark, 2001): 18 p v ω (5) 29 pbar pv Donde: p φ p v g El subíndice bar significa baroétrica, v se refiere al vapor de agua en el aire, y g al vapor de agua saturado en las condiciones del aire. φ es la huedad relativa. El flujo ásico de agua en el aire es: ω (6) aa as El flujo ásico de los residuos, r, es la cantidad de cenizas presentes en el bagazo, calculadas a partir de la coposición eleental del iso y el porcentaje de no queados presentes en los residuos. Coo observación general se nota que el nivel de no queados presentes en la ayoría de los trapiches es uy bajo y en algunos casos se puede despreciar.

6 El flujo de agua presente en los gases de cobustión es: at ab + aa + a, gen (7) El subíndice a,gen se refiere al agua generada en la cobustión del hidrógeno. El flujo de gases secos se deterina a partir del balance de asa: gs bs ab as aa ( ) (8) El flujo de jugo de caña de azúcar se calcula a partir de ediciones con base en la siguiente expresión: ( EM CH ) ca jc (9) 100 EM es el nivel de extracción del olino (en porcentaje) y CH es el porcentaje de foración de cachaza, toado coo el 3% (Hugot, 1974). El subíndice jc se refiere al jugo clarificado y ca a la caña. La panela producida se calcula con la siguiente relación: º B jc jc p (10) º Bp r at Donde º B son los grados Brix y el subíndice p se refiere a la panela. Balance de energía. Aplicando la priera ley de la terodináica en estado estacionario (Figura 2) se puede plantear una ecuación de balance de energía de la siguiente anera: E 1 E 2 Sistea E 3 E 4 E 5 E 6 Figura 2. Flujos energéticos a través del sistea, en la producción de panela. E + + (11) 1 E2 E3 + E4 + E5 E6 El flujo de energía que acopaña al bagazo se calcula coo (Chejne, 2000): E 1 PCI + h (12) bs Donde PCI es el poder calorífico inferior del bagazo seco y h f es la entalpía del agua que entra con el bagazo, que se aproxia coo la de líquido saturado a teperatura abiente. ab f

7 El flujo de energía con el aire para la cobustión se obtiene coo: E i. h i (13) 2 i Con i N 2, O 2, aa. El flujo energético asociado a los gases en la chienea es: E. h k k (14) 3 k Con k CO N, O, CO, at. 2, 2 2 En el proceso los residuos se retiran de la cáara de cobustión cuando están a teperatura abiente, por lo que no aportan energía en el balance global ( E 4 0 ). El flujo energético aprovechado en el proceso se calcula coo: Con j ae, p, ch 5 j c p, j T j + ae h fg (15) j E El térino h fg es la entalpía de vaporización del agua. El subíndice ae se refiere al agua evaporada del jugo de la caña y ch a la cachaza. Las diferencias de teperatura son las teperaturas de salida del agua evaporada, panela y cachaza con referencia a la teperatura de entrada del jugo de caña. Las pérdidas por transferencia de calor a través de las paredes no se calculan directaente, sino que se obtienen a partir del balance de energía: ( E ) E + (16) 6 E1 + E2 3 E5 Usando las ecuaciones 12 a 16, el balance de energía, ecuación 11, se puede desarrollar coo:. h. h c T h E i i k k + j j j + ae (17) fg 6 i k j PCI + h + + bs ab f RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para diagnosticar el funcionaiento de los 8 trapiches estudiados se han definido varios índices que dan cuenta de la fora en que eplean los recursos. El priero es un indicador del rendiiento del cultivo y se define coo el cociente entre la panela producida y la caña procesada. I Sus resultados se pueden observar en la Figura 3. p 1 (18) ca

8 0,13 0,12 0,12 0,124 I1 0,12 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,1 0,095 0,09 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Trapiche Figura 3. Índice de productividad de los trapiches epleados para la elaboracón de panela en Colobia. Este paráetro tradicionalente ha tenido un valor de 0.1 (10%) (CORPOICA-FEDEPANELA, 2000), superado por la ayoría de los trapiches objeto de estudio. El auento en la productividad del cultivo se debe en parte al uso de abonos. El trapiche T7 que usa coo tecnología el vapor es un caso especial con un índice bajo (9.5%), debido a que en él se produce panela ecológica y no se utilizan fertilizantes quíicos en los cultivos (Durán) 4. En este caso se sacrifica el rendiiento para obtener un producto de óptia calidad coercializado a ejor precio. En los trapiches se busca el autoabasteciiento energético ediante el uso del bagazo coo cobustible, por lo tanto se define un índice que da cuenta del bagazo sobrante o faltante en los trapiches. Coo la huedad con que se produce y se consue el bagazo varía con el nivel de extracción de jugo y el proceso de secado, la cantidad de bagazo húedo no ofrece una coparación directa de los trapiches. Por esto se define el índice con base en el bagazo seco consuido y producido: I bs, producido bs, consuido 2 bs, producido 100% (19) Sus resultados se pueden observar en la Figura 4.!"# $%" &'()**)"

9 40 33 I ,3 13,6 24,4 19,3 7,1 10, ,1 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Trapiche Figura 4. Índice de bagazo sobrante (%) en los trapiches durante la producción de panela en Colobia. Se observa coo todos los cabios tecnológicos incorporados en las hornillas son positivos teniendo coo resultado el objetivo propuesto de autosuficiencia energética. Resulta tabién evidente la necesidad de usar cobustibles adicionales en los trapiches tradicionales típicos. El trapiche T1 es el único en que la energía del bagazo no es suficiente para la producción de panela, presentando un defecto del 4,1% en el bagazo necesario para que la hornilla sea autosuficiente. Un índice de sua iportancia para diagnosticar el funcionaiento de los trapiches es su eficiencia energética, que se define coo el cociente entre la energía aprovechada y la energía del cobustible. E + E + E ae ch p η (20) bs PCI + ab hf En la Figura 5 se uestra el valor de este índice para los diferentes trapiches. η ,3 49,1 42,7 45,5 43,1 37,1 39,1 30,4 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Trapiche Figura 5. Eficiencia energética de los trapiches utilizados para la producción de panela en Colobia.

10 Se observa la baja eficiencia del trapiche tradicional (T1), lo que concuerda con los valores de ediciones anteriores (ICA, 1986; CORPOICA, 1996) y cóo los cabios tecnológicos involucrados han increentado la eficiencia energética. Para deterinar que porcentaje de la energía que se pierde en los gases de cobustión, se define el siguiente índice: I 3 E E gases (21) suinistrada El flujo energético de la corriente de gases es el producto de su flujo ásico y su entalpía específica, por lo que su valor depende tanto del exceso de aire coo de la teperatura de los gases en la chienea. Sus valores pueden observarse en la Figura 6. 0,5 0,485 0,434 0,442 0,376 0,425 0,4 I3 0,3 0,275 0,239 0,2 0,189 0,1 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Trapiche Figura 6. Índices de pérdidas en gases de cobustión para los trapiches usados para la producción de panela en Colobia. Son excesivas las pérdidas energéticas con los gases de cobustión de los trapiche T1 a T5 que reflejan los probleas de diseño en la cáara de cobustión y la zona de transferencia de calor de las hornillas. Estas pérdidas son inapropiadas para cualquier proceso industrial. En la Figura 7 se presentan la teperatura y el exceso de aire de los gases de cobustión. Valores altos en la teperatura de los gases asociados con altos excesos de aire redundan en el gran flujo energético que se pierde por la chienea.

11 Tg ( C) T 7 T 2 T 8 T T 4 T 5 E x c e s o d e a i r e [%] T 1 T 3 Figura 7. Teperatura de gases y exceso de aire en los trpiches epleados para la producción de panela en Colobia. Los trapiches T7 y T8 presentan las enores teperaturas y excesos de aire, aunque éstos siguen estando por encia de lo recoendado para el bagazo de caña (Hugot, 1974). Otro indicador de la fora coo se utiliza la energía del cobustible es el siguiente: I 4 E pérdidas E (22) suinistrada El nuerador en el índice 4 es la sua de las pérdidas por paredes y la energía de las cenizas, siendo el aporte de las cenizas despreciable, sus resultados se pueden observar en la Figura 8. 0,35 0,3 0,33 0,32 I 4 0,25 0,2 0,15 0,1 0,211 0,187 0,169 0,184 0,139 0,102 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Trapiche Figura 8. Índices de pérdidas de energía por las paredes de las hornillas en los trapiches usados para la producción de panela en Colobia.

12 El índice de pérdidas por paredes refleja coo las hornillas al construirse enterradas tienen enos pérdidas que los procesos con vapor, donde por falta de un buen aislaiento térico las pérdidas son ayores. No concuerdan estos resultados con los reportados en los antecedentes a este trabajo (CORPOICA, 1996). Finalente se define un índice que da cuenta del rendiiento global de los trapiches, calculado coo el cociente entre el bagazo seco consuido y la panela producida: bs, consuido I5 (23) p El valor del índice 5 depende del éxito en la extracción de jugos, en el secado del bagazo (en caso de que se realice), en el proceso de cobustión, y en el aprovechaiento de la energía en el proceso productivo. En la Figura 9 se uestra su valor para los 8 trapiches. 2 1,8 1,79 1,85 I 5 1,6 1,4 1,2 1,45 1,49 1,23 1,45 1,13 1,25 1 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Trapiche Figura 9. Índice global del rendiiento de los trapiches epleados para la producción de panela en Colobia. Entre ás bajo sea este índice, ejor será el rendiiento global (energético y productivo) del trapiche. Los valores ás altos los tienen los trapiches T1 y T7, lo que es de esperarse debido a la baja eficiencia energética del trapiche tradicional y a la falta de organización en su proceso productivo y al bajo rendiiento de cultivo y altas pérdidas por paredes del trapiche a vapor. El ejor coportaiento lo presenta el trapiche GIPUN, que cobina un diseño ejorado de la hornilla con un secado del bagazo en pequeños arrues esparcidos en un planchón, obteniendo así bajos niveles de huedad en el bagazo utilizado. CONCLUSIONES Las pérdidas por paredes constituyen una fracción considerable de la energía epleada en el proceso, principalente en el trapiche tradicional y los procesos con vapor. A pesar de las ejoras tecnológicas sigue existiendo un alto potencial energético en los gases de cobustión debido a las altas teperaturas de los gases en la chienea y a los excesos de aire elevados.

13 La aplicación de principios de ingeniería al diseño térico de las hornillas puede increentar significativaente la eficiencia y la autonoía energéticas de los trapiches, coo lo deuestra el coportaiento del trapiche GIPUN. En los procesos productivos en los cuales se han hecho ejoras tecnológicas se logra auentar la eficiencia energética de tal fora que se cuple el objetivo principal de autoabasteciiento energético de los trapiches. El desepeño global de los trapiches se ve significativaente ejorado con el nivel de las odificaciones tecnológicas, a excepción del proceso con vapor que sacrifica la productividad por la calidad y exclusividad de su producto. Con respecto a estudios anteriores se observa un claro auento de la eficiencia energética y una disinución significativa en las pérdidas por chienea, ientras que se obtuvo un ayor nivel de pérdidas por paredes que el reportado hasta el oento. 30.4% Energía suinistrada 100% Energía aprovechada 48.5% Pérdidas con los gases 21.1% Pérdidas por paredes Energía suinistrada 100% 62.3% Energía aprovechada 27.5% Pérdidas con los gases 10.2% Pérdidas por paredes Figura 10. Balances de energía para los trapiches T1 y T6 epleados para la producción de panela en Colobia. En la Figura 10 se presentan los resultados del balance energético para el trapiche tradicional sin odificaciones y el trapiche GIPUN. Se observa la ventaja del trapiche GIPUN en cuanto a distribución del recurso energético, eficiencia que se traduce en ayor productividad. BIBLIOGRAFÍA CENTRAL DE INSUMOS Y MATERIAS PRIMAS PARA LA INDUSTRIA ALIMENTARIA LTDA. Manual para la elaboración de panela y otros derivados de la caña. Barbosa: CIMPA, p. CHEJNE JANNA, Farid. Terodináica básica. Medellín: Universidad Pontificia Bolivariana p. CORPORACIÓN COLOMBIANA DE INVESTIGACIÓN AGROPECUARIA. Artículos técnicos sobre el cultivo de la caña y la elaboración de panela. Santander: CORPOICA, p.. Manual de caña de azúcar para la producción de panela. Palira: Fedepanela, p.

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