TEMAS DE INGENIERIA PARA MOLINEROS DE ARROZ SICROMETRIA TERMODINAMICA MARZO 9, 2007

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1 TEMAS DE INGENIERIA PARA MOLINEROS DE ARROZ SICROMETRIA TERMODINAMICA MARZO 9, 2007

2 CONCEPTOS BASICOS Higroscopicidad, Humedad de equilibrio grano-aire, Humedad relativa, Humedad absoluta, Carta sicrométrica, Cantidad de calor necesaria para evaporación humedad del grano, Generación y transporte de calor.

3 CARTA SICROMETRICA

4 LOS GRANOS SON MATERIALES HIGROSCOPICOS Tienden a recibir o entregar humedad al ambiente que los circunda. Es decir tienden a equilibrar su humedad con la de los espacios intersticiales. Se han estudiado las humedades de equilibrio de diferentes granos en diferentes condiciones.

5 F C tropicales Esta es una de las tablas aplicables al arroz

6 TABLAS ISOTERMAS Las tablas difieren un poco para las diferentes variedades y según el secado haya sido continuo o haya tenido procesos de rehumedecimiento, pero para efectos prácticos las cifras anteriores pueden considerarse adecuadas. La temperatura ambiente de los Llanos Colombo Venezolanos, durante la noche, se puede estimar en 75 F (24 C)

7 TABLAS ISOTERMAS Se ve claramente que, con aire a temperatura ambiente, si la humedad relativa es superior a 60 %, la humedad de equilibrio que alcanza el grano, con suficiente tiempo, es superior a la que puede considerarse segura para almacenaje: 12.5% aproximadamente.

8 EJEMPLO La temperatura ambiente mínima del Meta durante la noche se puede estimar en 75 F (24 C) Con aire a temperatura ambiente, si la humedad relativa es superior a 60 %, la humedad de equilibrio que alcanza el grano, con suficiente tiempo, es superior a la que puede considerarse segura para almacenaje: 12.5% aproximadamente. 24 o C= 75 o F

9 TABLAS ISOTERMAS Si la temperatura se aumenta a 100 F (38 C), la utilizada normalmente en albercas secadoras, se consigue el efecto de reducir la humedad relativa del aire como se indica en la tabla siguiente (preparada con una carta sicrométrica).

10 EJEMPLO Por ejemplo, con aire de HR de 90%, no se extrae humedad del grano con humedad superior a 16%, Con aire de HR de 80%, el límite sería grano con humedad superior a 14.1% Con aire de HR 70%, el límite sería grano con humedad superior a 12.8%.

11 EJEMPLO, SECAMIENTO Si la temperatura se aumenta a 38 C (100 F), la utilizada normalmente en albercas secadoras, se consigue el efecto de reducir la humedad relativa del aire como se indica en la tabla siguiente (preparada con una carta sicrométrica).

12 HUMEDAD DE EQUILIBRIO A 38 C HUMEDAD AMBIENTE A 24 C 70% 80% 90% 100% HUMEDAD DEL AIRE DESECANTE AL CALENTARLO A 38 C 32% 35% 41% 47% HUMEDAD DE EQUILIBRIO DEL GRANO 8.4% 8.7% 9.7% 10.2%

13 EJEMPLO, SECAMIENTO Es decir que, aún con aire ambiente de alta humedad, se consigue extraer humedad de arroz si la temperatura de secado es de 38C. Naturalmente, la velocidad de secado disminuye gradualmente a medida que la humedad relativa del aire desecante aumenta.

14 CONCEPTOS BASICOS DE MOVIMIENTO DE AIRE ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN UN SISTEMA DE AIRE: VENTILADOR CAMARAS DE AIRE (PLENUMS) QUEMADORES O CALENTADORES DUCTOS DE TRANSFERENCIA CAPAS DE GRANO DESCARGAS DE AIRE

15 CONCEPTOS BASICOS DE MOVIMIENTO DE AIRE FUNCIONES DEL AIRE EN EL SECADO DE GRANOS: TRANSPORTAR CALOR HASTA LA CAPA DE GRANO REMOVER LA HUMEDAD EVAPORADA PERMITIR LA COMBUSTIÓN DEL PRODUCTO UTILIZADO PARA CALENTAR EL AIRE

16 CONCEPTOS BASICOS DE MOVIMIENTO DE AIRE PRESION ESTATICA, ES LA RESULTANTE DE: FRICCION DE LOS ELEMENTOS DEL SISTEMA, TURBULENCIAS, ESPESOR DE LA CAPA DE GRANO (ESTUDIADA POR C.K.SHEDD), CANTIDAD DE AIRE FORZADA, CUIDADO DEL DISEÑO

17 CONCEPTOS MEDICION DEL AIRE: EQUIPOS, MANOMETROS, ANEMOMETROS, TUBO PITOT FORMAS DE MEDIR EL VOLUMEN DE AIRE EN SILOS O ALBERCAS DE GRANOS GRAFICAS DE C.K. SHEDD, SOFTWARE ESPECIALIZADO.

18 SECADO Y SECADORAS DE GRANOS, CONCEPTOS BASICOS ELEMENTOS DE UNA SECADORA ENTRADA DE AIRE, VENTILADOR QUEMADOR DUCTOS PUERTAS DE DUCTOS A PLENUMS CÁMARAS PLENUM EQUIPOS PARA CARGUE Y DESCARGUE DE GRANO; RECIPIENTE PARA GRANO.

19 MEDICION DEL AIRE, TUBO PITOT PRESION TOTAL PRESION DE VELOCIDAD PRESION ESTATICA

20 MEDICIONES EN DUCTOS CON AIRE T R A M O S R E C T O S M I N I M O S 2 D 2 D D P t P e P I T O T P e P t P v = P t - P e V ( P I E S / M I N U T O ) = ( P V ) 1 /2

21 PRESIONES DE VELOCIDAD EN DUCTOS, EN FUNCION DE DIFERENTES VELOCIDADES DE AIRE VELOCIDAD ALTURAS SOBRE EL NIVEL DEL MAR pies/minuto metros PV

22 RESISTENCIA AL PASO DEL AIRE EN SECADORAS DE GRANOS SE GENERA POR: GRANO, DUCTOS, CONVERSIONES, OBSTRUCCIONES SE MIDE CON MANOMETROS DE COLUMNA DE AGUA DIRECTOS O INDIRECTOS EL FLUJO DE AIRE SE ESTIMA CON AYUDA DE LAS TABLAS DE C.K.SHEDD O DE SOFTWARE ESPECIALIZADO.

23 MEDICION DEL AIRE EN UNA SECADORA, EJEMPLO Ventilador centrífugo Entrada de aire (1.08x0.83) Secadora Lecturas de velocidad del aire Expulsión de aire Quemador de diesel

24 EJEMPLO, MEDICION DEL AIRE EN UNA SECADORA Tanque de alimentación de arroz húmedo Duelas con grano Salida de aire a la atmósfera Cámara de aire Reguladores de velocidad de descarga SECADORAS COLUMNARES UTILIZADAS EN CENTROAMERICA

25 EJEMPLO, RESULTADO DE MEDICIONES PRESIÓN ESTÁTICA VENCIDA POR EL VENTILADOR: EN LA EXPULSIÓN: 0.77 DE C.A., EN LA SUCCIÓN: 0.20 DE C.A.. PRESIÓN ESTÁTICA TOTAL VENCIDA: 0.97 DE C.A. ( ) DATOS DE LA PLACA DEL MOTOR: 220 VOLTIOS, COSENO FI 0,86, EFICIENCIA 0.85, 7.5 HP.

26 EJEMPLO Ventilador centrífugo ,20 DE C.A. 0,77 DE C.A. Secadora Entrada de aire (1.08x0.83) Lecturas de velocidad del aire Expulsión de aire Quemador de diesel

27 MEDICIONES CONSUMO PROMEDIO DEL MOTOR ELÉCTRICO: 7.4 AMPERIOS. TEMPERATURA DE SECADO: 170º F. TEMPERATURA AMBIENTE: 76º F. VELOCIDAD MEDIDA CON ANEMOMETRO (NO CON PITOT): PIES/MINUTO CFM= (AREA X VELOCIDAD MEDIDA CON ANEMOMETRO)

28 RESULTADOS BHP= [(3) 1/2 x 7.4 (amp.) x 208 (volt.) x 0.86 (f.p) x 0.85 (eff.)] / 746 = 2.63 HP. AHP = x 0.97 ( c.a) x (c.f.m) = 0.93 HP. Eficiencia del sistema de aire (AHP/BHP)= 0.93/2.63 = 35% Capacidad secciones activas secadora: = kg x 50 (bushells por tonelada) = 60 bushells

29 MEDICIONES Cantidad de aire aplicada por bushell: 6.123/60 = 102 CFM/bushell. Humedad del grano: 24%, Humedad final: 11% Tiempo de secado neto: 15 horas (10 horas en el primer paso, 2 horas en reposo, 5 horas en segundo paso). BTU/hora = x (170 90) x 1.08 = BTU/hora, que equivalen a / (BTU por galón de Diesel) = 4 galones por hora.

30 MEDICIONES Consumo de combustible por punto de humedad removida y por tonelada: 60/100.5 = 0.6 galones por punto y por tonelada. Contra un estándar de 0.25 galones por punto de humedad removida y por tonelada de grano.

31 CAPACIDAD DE TRANSPORTE DE CALOR BTU/HORA = CFM X INCREMENTO DE T ( O F) X 1.08 POR EJEMPLO, PARA TRANSPORTAR BTU EN UNA HORA CON CFM (285 M 3 /MIN) DE AIRE, LA ELEVACIÓN NECESARIA DE TEMPERATURA DEBE SER DE APROXIMADAMENTE 23.4 O F (13 O C), MIENTRAS QUE LA ELEVACIÓN DE TEMPERATURA SE REDUCE A LA MITAD 17.7 O F, (6.5 O C) SI EL VOLUMEN DE AIRE SE DUPLICA A CFM (570 M 3 /MIN)

32 CONSUMO DE CALOR PARA EVAPORACION 1 LIBRA DE AGUA, EXTENDIDA SOBRE UNA SUPERFICIE, REQUIERE PARA SU EVAPORACIÓN APROXIMADAMENTE BTU. EN EL SECADO PRÁCTICO DE GRANOS SE CONSUMEN ENTRE Y BTU/LIBRA, DE ACUERDO CON LA HUMEDAD DEL GRANO, EXTRACCIÓN DE HUMEDAD EN CADA PASO Y USO DE ATEMPERAMIENTOS.

33 CONSUMO DE CALOR PARA EVAPORACION EJEMPLO: SI SE SECA ARROZ DE 22% A 12%, EN 4 PASOS, CON ATEMPERAMIENTOS DE 6 U 8 HORAS, EL CONSUMO PROMEDIO PUEDE ESTIMARSE EN O BTU/LIBRA. SI EL SECADO ES DE 22% A 12% Y SE HACE EN DOS PASOS, CON REPOSO DE 6 U 8 HORAS, EL CONSUMO PUEDE ESTIMARSE ENTRE Y BTU/LIBRA

34 COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS KCAL/KG. MADERA DE EUCALIPTOS BAGAZO DE CAÑA CASCARA DE ARROZ PAJA DE TRIGO GAS NATURAL A FUEL OIL CARBÓN KILOCALORIA=0.25 BTU

35 OTROS COMBUSTIBLES COMBUSTIBLES LÍQUIDOS GRADO BTU/GALÓN No 2 DIESEL (gasoil, ACPM) No 4 COMERCIAL No 5 FUEL OIL COMBUSTIBLES GASEOSOS GAS LICUADO: 1 GALÓN GENERA APROXIMADAMENTE BTU GAS NATURAL: 1 PIE CÚBICO GENERA APROXIMADAMENTE BTU.

36 OTROS COMBUSTIBLES COMBUSTIBLES SÓLIDOS CARBÓN COKE: APROXIMADAMENTE 6 KILOS DE CARBÓN COKE, GENERAN LA MISMA CANTIDAD DE CALOR QUE UN GALÓN DE DIESEL.

37 CASCARILLA Cascarilla de arroz: el calor de combustión de un kilo de cascarilla de arroz, con eficiencia del 100%, es de aproximadamente BTU a BTU, (3.200 a Kilocalorías). Quemadores de buen rendimiento pueden obtener entre 50% y 60% del calor de combustión, en promedio: BTU por cada kilo de cascarilla quemado.

38 USO RACIONAL DE LA CASCARILLA COMPACTACION HIDRAULICA DE LA CASCARILLA = AHORRO DE FLETES ( 1 : 3.5) VENTA DE CENIZAS CON ALTO VALOR COMERCIAL = 100 US$/TON COMO COMBUSTIBLE EN QUEMADORES AUTOMATICOS DE CASCARILLA = CONTROL EXACTO DE LA TEMPERATURA Y AHORRO DE DINERO CON EL REMPLAZO DE COMBUSTIBLES NO RENOVABLES

39 Compactadora hidraúlica de cascarilla

40 Pacas compactadas de cascarilla

41 QUEMADORES DE CASCARA DE ALTA CAPACIDAD, DISEÑOS TRADICIONALES

42 Parrillas Remoción manual De cenizas Quemador elemental

43 QUEMADOR DE FUEGO DIRECTO, 600 KG HORA

44 HOGAR DE UN QUEMADOR DE ALTA CAPACIDAD

45 QUEMADOR KG HORA

46 QUEMADORES CICLONICOS

47 ALIMENTADOR CASCARA QUEMADOR 400 KG POR HORA

48 Quemador 800 kg por hora Abasteciendo dos secadoras de 40 toneladas por hora cada una.

49 Con alta temperatura, Aproximadamente 20% del aire Entradas de aire caliente Casetas modificadas para que Actúen como cámaras de mezcla de aire caliente y frío Con alta temperatura Aproximadamente 80% del aire

50 CALDERAS DE CASCARILLA Generación de vapor Generación de Energía Eléctrica

51 CALDERA BREMER DE LA FOTO ANTERIOR CHIMENEA DE LOS MULTICICLONES SEGUNDO PISO CASCARA QUEMADA PRIMER PISO

52 CALDERA MULTICICLONES QUEMADOR (PARRILLA), EN EL PRIMER PISO

53 CONTROL DE MATERIAL PARTICULADO EN LAS CALDERAS Para reducir paso de cenizas por los tubos de la caldera, Para reducir las emisiones a la atmósfera Por medio de: Parrillas móviles Filtros multiciclones

54 Parrilla movil, Bennecken y Biochamm Reducida cantidad de ceniza Mayor parte de la ceniza

55

56 Movimiento de vaivén Elementos parrilla móvil Benecke

57 Biochamm elementos de una parrilla móvil

58 GENERACION DE ELECTRICIDAD Se estima que es necesario generar cerca de 1 mega-kw para que la operación sea económica kg de vapor por hora generan aproximadamente kw-hora kg de cáscara por hora generan aproximadamente kg de vapor y kw-hora.

59 GENERACION DE VAPOR Y DE ENERGIA ELECTRICA EVALUACION FINANCIERA, UN CASO REAL

60 SE HICIERON DOS TIPOS DE ANALISIS Evaluación con simple generación de vapor para parboiled. Evaluación para generación de vapor para parboiled y de energía eléctrica durante todo el año. En el ejemplo siguiente la caldera se trabajaría tres semanas generando electricidad y una semana vapor para parboiled + electricidad.

61 DISPONIBILIDAD DE CASCARA Paddy húmedo comprado en el año Equivalente seco Cascarilla total disponible toneladas toneladas toneladas Cascarilla consumida en quemadores actuales para secar arroz Días de trabajo por año Consumo cáscara por hora Consumo en el año 180 2, toneladas toneladas

62 EVALUACION DE GENERACION DE VAPOR PARA PARBOILED, CIFRAS EN PESOS COLOMBIANOS Dias de trabajo mensuales Consumo de vapor por hora en producción de parboiled kg Consumo de cáscara correspondiente Consumo de cáscara anual para vapor Costo mensual de gas para parboiled actual $ Costo anual de gas $ kg por hora toneladas

63 BASES PARA EVALUACION DE GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA Pesos colombianos (2.400 x dólar) Cascarilla disponible para caldera Cascarilla comprada a terceros Costo de cascarilla comprada a terceros Consumo caldera a plena carga Días posibles (24 horas) de trabajo a plena carga Kw-hora generados por caldera y turbina Generación total de energía eléctrica Costo promedio $ kw-hora, neto Peaje por uso de líneas eléctricas $ kw-hora Costo total de la energía eléctrica $ kw-hora Valor total energía generada $ , toneladas por año, después de separar la necesaria para quemadores toneladas por año por tonelada (costo de transporte básicamente) toneladas por hora de cáscara días por año, con la cáscara disponible kw-hora en el año pagado a la empresa de energía sin incluir el "peaje" de las redes

64 Tasa de cambio $ INVERSIONES Y COSTOS DE OPERACIÓN por dólar A) GENERACION DE VAPOR Costo caldera CIF Brasil US$ Flete marítimo + nacionalización IVA Subtotal Transporte terrestre y seguros hasta Espinal $ Montaje y puesta en marcha Reparación tolvas y equipo transporte cáscara TOTAL % 16% Aranceles de Brasil a Colombia son muy bajos Con base en información de Bennecke y análisis Mantenimiento anual 4% Depreciación, 10 años

65 Consumo de potencia: 50 kw/hora, anual Costo de operación anual $ BENEFICIOS DE LA GENERACION DE VAPOR Año valor de la potencia consumida por la misma caldera Año Año Año Año Economías en gas, anuales $ Depreciación $ Beneficio anual, incluyendo depreciación $

66 TASA DE RETORNO, SOLO GENERACION DE VAPOR Año 0 Año 1 Año 2 Año 3 Año 4 Año 5 Inversion Beneficios Flujo neto TIR, 10 AÑOS= 1,31% Negocio no atractivo

67 B) GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA Y VAPOR Inversiones en producción de vapor $ Inversiones en generación de energía eléctrica (50%) $ Instalaciones eléctricas para interconexión con la red $ Se asume que la turbina, generador, y demás elementos necesarios cuestan lo mismo que la caldera, según información de los fabricantes de calderas Estimado preliminar

68 CREDITO PRINCIPAL DEL PROYECTO Financiación del total Valor total Plazo total Periodo de gracia Interes 60% Años Años (para capital) % anual

69 SERVICIO DE LA DEUDA Año 1 Año 2 Año 3 Año 4 Año5 Pagos anuales de capital 0% 20% 20% 30% 30% Saldo inicial: $ Menos amortización de crédito $ Saldo final Capital:-----$ Pago intereses Principal:-$ Porción corriente Principal Porción. Largo Plazo. Principal:$

70 Mantenimiento de equipos adicionales 4% Depreciación equipos adicionales, 10 años COSTOS DE OPERACION $ $ Costo de operación turbinas Mantenimiento de equipos iniciales 4% Mantenimiento + depreciación producción vapor Consumo de potencia: 50 kw/hora, anual Cascarilla comprada a terceros Técnico adicional, dedicación medio tiempo, $ 3 millones mensuales, incluye prestaciones $ $ $ $ $ $ durante todo el tiempo de operación de la caldera anualmente anuales

71 BENEFICIOS GENERACION DE VAPOR Y ELECTRICIDAD Año1 Año 2 Año 3 Año 4 Año 5 Intereses de crédito $ Costo de operación total $ Valor energía generada $ Economías en gas anuales, $ Depreciación total $ Beneficio anual $ EBIDTA $ EBIDTA SIGLA EN INGLES DE: BENEFICIOS ANTES DE COSTOS FINANCIEROS DEPRECIACION E IMPUESTOS

72 TASA DE RETORNO, VAPOR Y ELECTRICIDAD TASA DE RETORNO Año 0 Año 1 Año 2 Año 3 Año 4 Año 5 Inversión Beneficios, incluyen depreciación Flujo neto TIR, 10 AÑOS= 21,58% Negocio atractivo

73 ANALISIS DE SENSIBILIDAD, PESOS COLOMBIANOS Energía eléctrica $ kw-hora 140 (US$ 0,058) 160 (US$ 0,066) 180 (US$ 0,075) 200 (US$ 0,083) TIR % 21,58 30,24 38,64 46,92 "EBIDTA" ANUAL $ $ $ $