DIAGNOSTICOS ENERGETICOS EN SISTEMAS TERMICOS

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1 DIAGNOSTICOS ENERGETICOS EN SISTEMAS TERMICOS 1. EFICIENCIA DE LA COMBUSTION: 1.1 TEORIA DE LA COMBUSTION: La Química Orgánica se ocupa del estudio de los componentes que forma el carbono aprovechando la extraordinaria capacidad de combinación que le permite su tetravalencia; al demostrar que los combustibles se disocian en sus componentes antes de quemarse, la combustión se producirá por oxidación del Hidrógeno y el Carbono, en el campo inorgánico, resultando el nombre más adecuado para esta formidable simplificación tecnológica: Teoría Inorgánica de la Combustión, pudiendo ser enunciada en la siguiente forma: Figura N 1 : Combustión del metano Biblioteca del Ingeniero Químico Siendo los combustibles industriales combinaciones carbono/hidrógeno, con contenidos variables de impurezas, y habiendo establecido que sus componentes siempre se disocian y reaccionan en

2 forma elemental, siempre existirá una proporción de carbón que reaccione como sólido. La excepción podría ser el propio Hidrógeno, pero no constituye un combustible industrial. Para sustentar esta hipótesis resultan determinantes los altos valores de los puntos de fusión y sublimación del carbono: 3600 y 4200 C respectivamente, temperaturas que no se alcanzan en procesos industriales, por lo cual siempre se producirá la combustión de las partículas de carbón en forma heterogénea. La reacción sólido-gas, típica de la combustión de la partícula de carbón, se efectúa por difusión de calor del medio hacia el interior de la partícula y difusión molecular del CO producido (desorción) para abandonar la partícula hacia el medio de reacción, donde completa su reacción con el oxígeno disponible, en una reacción homogénea gas-gas. La condición térmica inicial de la partícula depende del combustible original, influenciando su calentamiento hasta este punto, la desvolatilización de la partícula sólida cuando se trata de carbón mineral, el craqueo y gasificación de gotas en el caso de combustibles líquidos, y el craqueo de gases combustibles. El hidrógeno reacciona en forma homogénea (gas-gas) en una combustión instantánea, aportando calor y vapor de agua. El carbón reacciona por difusión térmica y molecular en un proceso de combustión heterogénea. En la práctica, la combustión del carbón resulta mucho más importante que la del hidrógeno por 2 razones fundamentales: La proporción del carbón respecto al hidrógeno en los combustibles es siempre sensiblemente mayor. El combustible más liviano es el metano (CH4) con una relación Carbono/Hidrógeno igual a 3 lo que significa que tiene un 75% en peso de carbono. La proporción en peso del carbono en todos los combustibles industriales varía entre 75 y 100%. La combustión del hidrógeno es prácticamente instantánea en cualquier condición, mientras que el tiempo de reacción de la partícula de carbón puede ser de varios segundos, efectuándose en 2 etapas: combustión heterogénea sólido gas desprendiendo CO y la de éste con el O2 para completar el CO2. La velocidad de propagación de la llama de hidrógeno es 50 veces mayor que la del CO, siendo ambas medidas en milésimas de segundo, mientras que la combustión de una partícula de carbón de tamaño promedio (30 micras), puede tomar varios segundos. Siendo que todos los combustibles se disocian en hidrógeno como gas y partículas de carbón de diferentes características y tamaño, la cinética de la reacción de combustión resultará

3 determinada por estas últimas y solamente influenciada por la velocidad de reacción del hidrógeno del hidrógeno; consecuentemente, el control sobre la llama resulta casi exclusivamente dependiente de la combustión de la partícula de carbono (carbón). El tamaño de la partícula de carbón resulta un factor fundamental en este sentido. En el caso del gas natural, las partículas de carbón serán microscópicas(500 A ), su combustión muy rápida y la llama muy corta, poco luminosa y de baja emisividad; en el caso del Combustóleo, Petróleo residual o Biodiesel, las partículas de carbón producto del craqueo en fase líquida serán de tamaño considerable ( micras), demorando más su combustión, con llamas muy luminosas y emisivas; el tamaño de partículas de carbón mineral se maneja y controla durante la molienda, en función de su contenido de volátiles ( micras), influenciando así la velocidad de combustión con llamas siempre luminosas y emisivas. Todos los demás combustibles industriales entrarán en uno de los campos de estos 3 combustibles primarios, desarrollándose la combustión de la partícula elemental del carbón siempre en forma heterogénea. Figura N 2 : Combustión del metano Combustión Industrial (Percy Castillo) 1.2 MECANISMO DE LA COMBUSTION: Los combustibles industriales son combinaciones variables de carbono e hidrógeno, con un contenido, también variable, de impurezas.

4 El carbono e hidrógeno contenidos en cualquier combustible sólido, líquido o gaseoso, sea cual fuere la forma química en que se encuentren combinados, se disociarán a su forma elemental antes de reaccionar con el oxígeno disponible. En realidad, las reacciones de combustión del carbono y del hidrógeno con el oxígeno, son siempre elementales y únicas : Sea cual fuere el compuesto químico que se encuentre en el combustible, se disociará en C y H reaccionando en la forma elemental. Esta concepción simple y básica, pero a la vez práctica y efectiva de las reacciones de combustión, permite efectuar con rapidez y precisión los cálculos estequiométricos que facilitarán su adecuado manejo y control. Sea un combustible que tenga una composición por kg. de C Kg. de carbono y H 2 kg de hidrógeno. Para la combustión de 12 kg. de carbono se necesitan 22,4 m 3 de oxígeno; para C kg de carbono se necesitaran: Para la combustión de 2 kg. de hidrógeno, se necesitan 11,2m 3 de oxígeno, luego para 2 kg. de hidrógeno se necesitarán : 11,2 x (H2/2) = 5,6 x H 2 m3 de O2 Por consiguiente, para la combustión de 1 kg. de combustible, el oxígeno mínimo necesario estequiométrico, sería la suma del necesario para la combustión del carbono y el hidrógeno, es decir: O 2m = 1,87C + 5,6 H2 m3 de oxígeno Como la composición en volumen del aire es aproximadamente del 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno, se tiene que el aire mínimo necesario será : A m = (100/21) O 2m = 4,76 O 2m Por lo tanto el aire estequiométrico necesario por kg. de combustible será : A m = 8,90 C + 26,67 H 2 (m 3 de aire)

5 Este volumen de aire está referido a condiciones normales (O C y 760 mm Hg. de presión) Sea por ejemplo un combustible que tenga 88% de carbono y 12% de hidrógeno, es decir : C = 0,88 y H = 0,12 El aire estequiométrico requerido para la combustión será : A m = 8,90 (0,88) + 26,67 (0,12) = 11,03 m 3 de aire. En la Figura siguiente se presenta un nomograma que permite la directa determinación de los poderes caloríficos de cualquier combustible industrial, conociendo su relación carbono/hidrógeno. El conocimiento del calor de disociación de cualquier combinación de carbono e Hidrógeno, permitirá conocer directamente su poder calorífico, restándolo de la suma de los calores de reacción de los elementos disociados (carbono e Hidrógeno) en forma individual. Figura N 3 : Poder Calorífico en función de la Relación C/H Combustión Industrial (Percy Castillo) 1.3 ESQUEMA BASICO DE LA COMBUSTION INDUSTRIAL: Los procesos de combustión en instalaciones industriales siempre obedecen a un esquema básico, cuyo conocimiento y comprensión resultan la llave maestra para acceder a cualquier proceso de combustión que se desee conocer y mejorar.

6 En la Figura se muestra el esquema básico de la combustión industrial, en el cual se establece que una buena combustión requiere 3 puntos fundamentales: Figura N 3 : Diagrama Esquemático de la Combustión Industrial Combustión Industrial (Percy Castillo) a. PROPORCION CORRECTA AIRE COMBUSTIBLE: El diseño del quemador deberá asegurar el suministro de las cantidades adecuadas de aire y combustible en el sistema, estableciendo márgenes de regulación para ambos. Para asegurar la combustión completa deberá proporcionarse un exceso de aire, procurando que sea lo mínimo que resulte posible. El análisis de los gases de combustión permitirá conocer el exceso de aire y la eficiencia de la combustión. En función del análisis de gases en forma manual o automatizada, se deberá efectuar ajustes en las variables de operación, controlando los resultados obtenidos. Manejando correctamente los puntos anteriores se logrará una combustión completa.

7 b. MEZCLA ADECUADA AIRE COMBUSTIBLE El diseño del quemador deberá proporcionar las condiciones de mezcla aire combustible más adecuado para cada caso. La mezcla debe ser uniforme y permanente para cada punto de regulación dentro de los márgenes de operación. El objetivo principal de la mezcla será el lograr el máximo contacto superficial entre oxígeno y combustible. El estado físico del combustible determinará las condiciones operativas que permitan preparar el combustible (pulverización, atomización, vaporización) en el caso de sólidos y líquidos, y efectuar la mezcla en forma conveniente para cada caso. Manejando correctamente los puntos anteriores se logrará una combustión óptima. c. IGNICION INICIAL Y SOSTENIDA DE LA MEZCLA El encendido o ignición inicial de la mezcla requiere el aporte de calor de una fuente externa. Resulta necesario aplicar mucho calor a un área localizada para acelerar la reacción. La mezcla se encenderá sólo al alcanzar su temperatura mínima de ignición, variable para cada combustible. Al producir las reacciones de combustión más calor del que se pierde a los alrededores, se mantendrá la combustión sin necesidad de la fuente externa. Manejando correctamente los puntos anteriores se logrará una combustión auto-sostenida y estable para las condiciones del proceso. d. El cumplimiento de estos 3 requerimientos permitirán : Lograr el máximo aprovechamiento del poder calorífico del combustible utilizado. Aportar el calor requerido por el sistema con el menor consumo de combustible y las condiciones operativas técnica y económicamente más adecuadas. Esta condición de máxima eficiencia, sin embargo, siempre resultará inestable por depender de una serie de variables interdependientes entre sí e influenciables por factores externos, por lo cual el verdadero nivel de eficiencia del sistema dependerá de la existencia de un sistema de control adecuado y efectivo, orientado a mantener niveles permanentes de eficiencia del proceso.

8 1.4 TIPOS DE COMBUSTION: El objetivo fundamental de la combustión es el de conseguir la oxidación total del carbono y del hidrógeno para formar dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) con lo cual se produce la máxima energía en forma de calor y se evita efectos contaminantes. La combustión podemos clasificarla desde el punto de vista de la calidad de sus productos y por la forma en que se realiza. a. COMBUSTION PERFECTA O ESTEQIOMETRICA: Este tipo de combustión se consigue mezclando y quemando las cantidades exactamente requeridas de combustible y oxígeno, los cuales se queman en forma completa y perfecta. Esta combustión completa está sin embargo, fuertemente limitada por condiciones químicas y físicas, ya que sólo en teoría podemos hablar de reacciones perfectamente estequiométricas. Se plantean para realizar los cálculos teóricos de la combustión, etc. en función de la composición del combustible y el comburente empleados. Figura N 4 : Combustión Estequiométrica Combustión Industrial (Percy Castillo) b. COMBUSTION COMPLETA O CON EXC ESO DE AIRE: Para tener una combustión completa, es decir, sin presencia de monóxido de carbono en los humos de chimenea, es necesario emplear una proporción de oxígeno superior a la teórica. Este

9 exceso de aire conlleva especialmente 2 efectos importantes en cuanto al proceso de la combustión: Disminución de la temperatura máxima posible al aumentar la cantidad de gases en la combustión. Variación sensible en cuanto a la concentración de los óxidos formados respecto al nitrógeno, lo que se traduce en una disminución de la eficiencia de la combustión. El exceso de aire se expresa en porcentaje restándole el teórico estequiométrico, el cual corresponde al 100%; es decir, una cantidad de aire de combustión del 120% respecto al estequiométrico, se expresará como 20% de exceso de aire. El índice de exceso de aire (n), también empleado en la práctica, será en este caso: n = 1.2. Figura N 5 : Combustión con exceso de aire Combustión Industrial (Percy Castillo) c. COMBUSTION INCOMPLETA O CON DEFECTO DE AIRE: Cuando el oxígeno presente en la combustión no alcanza el valor del teórico necesario para la formación de CO2, H2O y SO2 la combustión es necesariamente incompleta, apareciendo en los gases de combustión el monóxido de carbono, hidrógeno y partículas sólidas de carbono, azufre o sulfuros.

10 Figura N 6 : Combustión con defecto de aire Combustión Industrial (Percy Castillo) Considerando que estos componentes de los gases que se eliminan a la atmósfera contienen aún apreciable contenido calorífico, las pérdidas por combustión incompleta son elevadas cuando se proporciona menos aire del necesario. En la práctica, la presencia de inquemados resulta determinante del exceso de aire necesario. La presencia de CO en los humos crea además el riesgo de explosión, al llegar a atmósferas súbitamente oxidantes. Un 1% de CO en los gases produce una pérdida de aproximadamente un 4% del poder calorífico del combustible. d. COMBUSTION IMPERFECTA O REAL: Se produce una combustión imperfecta o seudocombustión oxidante cuando pese a existir exceso de aire, no se completan las reacciones de combustión, apareciendo en los humos de chimenea productos de combustión incompleta, tales como inquemados, residuos de combustibles sin oxidar, partículas sólidas, etc. Este tipo de combustión puede producirse debido a las siguientes causas: La elevada carga térmica del hogar, es decir, la relación entre la potencia calorífica y el volumen del hogar, ya que existe poco tiempo de permanencia.

11 La escasa turbulencia, existiendo por tanto una mala mezcla aire-combustible, lo que en muchos quemadores se produce por cantidad insuficiente de aire o por estar trabajando a una fracción muy pequeña de su potencia nominal. La falta de uniformidad de pulverización en los combustibles líquidos, ya que cuanto mayor sea el número de gotas de gran tamaño, tanto más fácil es que se produzcan inquemados, puesto que una gota de gran diámetro necesita un tiempo mayor de permanencia para quemarse por completo. El enfriamiento de la llama, lo que puede ocurrir cuando la mezcla aire/combustible incide sobre superficies relativamente frías, como el frente de la cámara de combustión o las paredes de un tubo de llama y también cuando se trabaja con un gran exceso de aire. El alto porcentaje de carbono en los combustibles. En la práctica, este es el tipo de combustión más generalizado por resultar más ajustado a la realidad. En la medida que se mejore la combustión imperfecta aproximándose a las condiciones teóricas de combustión completa con mínimo exceso de aire, se logrará mejores rendimientos y se evitará efectos contaminantes. Figura N 7 : Combustión Imperfecta Combustión Industrial (Percy Castillo) e. COMBUSTION POR LA FORMA COMO SE REALIZA: Siendo siempre la reacción elemental la que se produce en la práctica industrial, puede presentarse el combustible en estado sólido, líquido o gaseoso, lo cual determina diferentes niveles de dificultad para que se produzca el contacto y reacción con el comburente.

12 El conocimiento práctico y estudio teórico de las reacciones de combustión, nos permiten también simplificar en este campo, definiendo que existen únicamente dos tipos de combustión: Reacción Homogénea GAS-GAS; la que se produce entre el hidrógeno y CO con el oxígeno para dar lugar a H20 y CO2. Reacción Heterogénea SOLIDO-GAS; típica del carbón en cualquiera de sus formas, que se produce por difusión térmica y molecular en el entorno de la partícula de carbono para formar primeramente CO y finalmente CO REACTORES DE LA COMBUSTION: La combustión en una atmósfera libre puede efectuarse con fines de iluminación, aprovechando la energía luminosa de la llama de difusión, pero con fines de aprovechamiento térmico representa niveles demasiado bajos de aprovechamiento energético, aceptables solamente en el campo artesanal. En actividades industriales, las exigencias de concentración térmica y costos establecen la necesidad de que las reacciones de combustión se efectúen en el interior de un reactor llamado comúnmente hogar o cámara de combustión. El diseño de reactores de combustión obedece principalmente a criterios vinculados al proceso para el cual se genera calor y la forma de transferencia de calor requerida. El diseño de un reactor ideal para asegurar combustión completa podría ser definido en los siguientes términos y/o condiciones: longitud, volumen útil y concentración de calor. Las características de los reactores de combustión en los tipos más frecuentes: a. HORNOS ROTATORIOS: En estos reactores de forma cilíndrica la llama se forma a partir de un chorro recto confinado. Este reactor presenta la facilidad de poder alargar la llama sin limitaciones de impacto con una pared posterior, pero igualmente tendrá que disponer de suficiente impulso total para mantenerla centrada y el diseño del quemador tendrá que permitir la formación de llama cónica hueca para evitar que se abra impactando con las paredes. Los hornos rotatorios son circulares, por lo que presentan el volumen útil más conveniente y ofrecen buenas condiciones de concentración térmica. Las características del proceso influencian la concentración de calor; así existe una gran diferencia entre el comportamiento del material en procesos de hornos de cal (reacción endotérmica) y de clínker para cemento (reacción exotérmica).

13 En los secadores rotatorios también se presenta menor concentración de calor y temperaturas de llama por ser la vaporización fuertemente endotérmica. Figura N 8 : Horno rotativo Industrial Combustión Industrial (Percy Castillo) b. HORNOS DE FUNDICION: En este tipo de hornos el reactor está muy lejos de constituir un diseño ideal, debido a que el material a ser fundido se encuentra en el piso y se alojan llamas en un extremo del horno, calentando el material hasta fusión por transferencia de calor por radiación y en menor medida por convección. El nivel de concentración térmica es alto debido a los niveles de temperatura, pero las pérdidas por radiación en las paredes y el techo también son altas. Una mejora considerable de estos hornos como reactores de combustión se ha logrado incorporando mayor número de quemadores en las paredes y en el techo. Figura N 9 : Horno de fundición Industrial Combustión Industrial (Percy Castillo)

14 c. CALDEROS PIROTUBULARES: En los calderos antiguos se utilizaban hogares de combustión de material refractario, orientando su diseño a lograr combustión completa, aprovechando el calor generado en varios pasos de tubos transfiriendo calor por convección. Las exigencias de optimización energética y de diseño han orientado la tendencia en calderos a ubicar la llama en cámaras de agua y ubicar paredes húmedas, que reemplazan los altares de refractarios por conductos de agua que refrigeran y se calientan simultáneamente. Esta tendencia obliga a optimizar la combustión para asegurar combustión completa, cada vez más difícil por la Menor concentración de calor. Figura N 10: Caldero Pirotubular CB Industries d. CALDEROS ACUOTUBULARES: Las cámaras de combustión en estos calderos están formadas por tubos de agua cada vez más compactos, complicando su función como reactores de combustión. Esta tendencia ha obligado a desarrollar quemadores con capacidad para formar llamas cada vez más turbulentas y compactas, lo que se ha logrado creando una zona de menor presión en la zona central de la llama (llama cónica hueca). Los calderos de alta capacidad con grandes cámaras de combustión y un gran número de quemadores se orientan a aprovechar la mayor eficiencia de transferencia de calor por radiación desde la llama a los tubos de agua que forman el reactor, resultando similar su concepto de funcionamiento y aprovechamiento térmico a los aplicados en los hornos de fundición.

15 1.6 ESTABILIDAD DE LA COMBUSTION: La velocidad de una llama, puede variar entre unos pocos centímetros por segundo (mezcla propano-aire) y varias decenas de metros por segundo (mezcla estequiométrica vapor de kerosene-aire, con 40 m/s). La superficie que limita la llama por su parte anterior se denomina frente de llama y su situación está condicionada por un equilibrio entre la velocidad de circulación de los gases y la velocidad de propagación de la llama; expresado en términos prácticos, para conseguir una llama estable se debe mantener un equilibrio entre la velocidad con la que ingresa la mezcla combustible y la velocidad con la que se quema. El frente de llama puede resultar muy inestable, considerando los múltiples factores que intervienen en la cinética de la reacción de combustión, determinando que se aproxime al quemador hasta introducirse en el mismo, produciéndose lo que se denomina "retroceso de llama" o se aleje del mismo, llegando a producirse el "despegue de llama", en cuyo caso la misma se apaga. En la literatura técnica sobre la llama siempre se mencionan como factores de control operativo sobre la llama las 3 te s de la combustión, pero investigando en este campo hemos encontrado que son siete las te s que influencian este proceso. Figura N 11 : Frente de Llama básico Combustión Industrial (Percy Castillo) Las dos primeras emanan de la teoría inorgánica y se refieren al Tamaño de partícula y su Trayectoria axial o rotacional al inyectarse desde la boquilla del quemador.

16 Para mantener el equilibrio entre la velocidad de los gases y la propagación de la llama resultan de fundamental importancia las tres Te's clásicas de la combustión, esto es, Tiempo, Turbulencia y Temperatura. La estabilidad del frente de llama permite condiciones iniciales favorables, pero en el desarrollo de la combustión intervienen otros parámetros que determinan condiciones que podrían afectar la estabilidad inicial conseguida y coincidentemente, también comienzan con la misma letra: Transferencia de calor y Transporte de gases. Pero aún tenemos más Te s que influencian la llama y el proceso de combustión: el Tiro que crea las condiciones de circulación de gases y la Tensión (presión) en el interior de la cámara de combustión. Estos tres factores resultan de la mayor importancia para mantener en equilibrio la reacción de combustión, y por ende, las características de la llama. El Tiempo determina la velocidad con la que se efectúa la reacción y resulta fuertemente determinado por el Tamaño de la partícula de carbón; si se eleva la Temperatura de la llama, aumentará la velocidad de reacción y con ella la generación de calor; asimismo aumentará el volumen de productos de combustión, incrementándose la Turbulencia en el entorno de la llama, tomando en cuenta que las condiciones de mezcla también serán influenciadas por la trayectoria de la partícula de carbón, creada por su propio impulso y/o establecida por los flujos dominantes. La Transferencia de calor desde la llama a su entorno variará la temperatura y por tanto la cinética de la reacción. El Transporte de los gases de combustión impulsados por el Tiro tendrán que asegurar la presión más conveniente en la cámara de combustión. Figura N 12 : Las Tes de la combustión Combustión Industrial (Percy Castillo)

17 El aumento de la Turbulencia favorecerá la cinética de la reacción, disminuyendo el Tiempo de reacción; la mayor generación de calor producirá un incremento de Temperatura. Esta constante influenciada por estos tres factores, determinará las condiciones del equilibrio de llama, y en consecuencia, la eficiencia de combustión. La importancia que reviste la llama, por representar el espacio donde se realiza la combustión y constituir en la mayoría de casos una manifestación visible de la combustión, facilitando su adecuado manejo y control, determina la necesidad de analizar las características de formación de llama de sólidos, líquidos y gases en forma individual y detallada, utilizando la Ruleta de las Te s de la Combustión. 1.7 FUNCION MECANICA DELA IRE DE COMBUSTION. Las principales funciones mecánicas que realiza el aire en los sistemas, circuitos y procesos de combustión, son los siguientes: a. AIRE PRIMARIO: Aporta la energía cinética requerida para formación de llama, es decir, determinar la forma en que se desarrolla la combustión, para lo cual puede requerir una gran potencia, cuando se utiliza combustibles muy difíciles de quemar, o relativamente poca, cuando se utiliza gas natural o GLP, que quemándose con mucha facilidad, a veces requieren demorar la mezcla para tratar de alargar el tiempo de reacción y mejorar la emisividad de llama. Para definir con claridad y sencillez el trabajo del aire primario, hemos determinado la conveniencia de utilizar 2 parámetros que pueden ser aplicados en el diseño de quemadores o para la evaluación de quemadores que se encuentren instalados y operando, para evaluar y optimizar su funcionamiento: Potencia específica, expresada con Newton/ Gcal, y Swirl (fuerza rotacional), que representa el % del impulso total que tiene efecto rotacional. La validez y utilidad de estos parámetros la hemos podido comprobar en cientos de proyectos de optimización de la combustión en plantas industriales.

18 Figura N 13 : Aire primario en quemador tipo Pitojet de KHD KHD Company b. AIRE DE ATOMIZACION: En algunos quemadores de combustibles líquidos se utiliza el aire como fluido pulverizador para atomización del combustible, presentándose en la práctica dos tipos de diseños que utilizan el aire para atomizar: Quemadores de atomización con fluido auxiliar, que puede ser aire comprimido o vapor, para el caso de calderos. La presión normal del aire de atomización es de 4-6 bares. Quemadores de atomización por aire a baja presión, en el cual todo el aire lo proporciona un ventilador que impulsa el aire total de combustión, que a su vez atomiza el combustible que sale en forma lateral o radial de la boquilla. El quemador Hauck es el caso típico y tuvo buenos resultados para combustibles sucios y trabajos muy estacionarios del quemador. Figura N 14 : Quemador Hauck Centromin Perú

19 c. TIRO FORZADO: En la mayoría de Calderos Pirotubulares y algunos tipo de hornos pequeños, el ventilador del quemador debe proporcionar, además del aire de combustión y la energía para formación de llama, el impulso necesario para empujar los gases circulantes hasta la base de la chimenea, a partir de la cual se combina este impulso con el tiro natural creado por la chimenea, para eliminar los gases de combustión a la atmósfera. En este tipo de sistemas, la capacidad de los calderos y hornos queda totalmente definido por la capacidad del ventilador para proporcionar el caudal y la presión estática en la descarga que proporcione el impulso (potencia) necesarios para formación de llama y circulación de los gases de combustión. La presión estática en la descarga define la nominación del equipo utilizado: Un ventilador generalmente se utiliza para mayores caudales y menores presiones (hasta 120 mbar) Entre 120 y 200 mbar se encuentran los llamados turbo ventiladores que constituyen una interface entre ventiladores y sopladores, muy convenientes para sistemas de combustión más exigentes. A partir de 200 mbar y hasta 1 Bar, se denominan sopladores, siendo equipos con mayores presiones y menores caudales. Equipos con más de 1 Bar en la descarga ya puede ser considerado un compresor y requiere criterios distintos de diseño. Figura N 14 : Ventiladores, sopladores y quemadores Iberdola Company

20 1.8 INFLUENCIA DE LA ALTURA EN AL OPERACIÓN DE CALDEROS PIROTUBULARES: Fundamentalmente del suministro de masa de aire para la combustión y la capacidad para circular y extraer los gases de combustión. Generalmente el quemador aporta todo el aire de combustión y el tiro forzado suficiente para desplazar los gases hasta la base de la chimenea, donde se regula el tiro con el dámper y se elimina los gases con el tiro natural. Al operar un caldero normal en altura se afectan los siguientes factores: La capacidad del caldero quedará limitada por la disminución de masa de oxígeno para la combustión, determinando una disminución de la capacidad real del caldero para generación de vapor. Por ejemplo: Un caldero de 300 HP tiene una capacidad nominal de generación de vapor de 5000 Kg/h; instalado a 3000 m.s.n.m de altura solamente podrá producir 3250 Kg/h, resultando equivalente a un caldero de 200 BHP, desde el punto de vista del defecto de aire como comburente. La disminución del flujo másico de aire para proporcionar el impulso necesario para mezcla y desplazamiento de gases podría ser compensado parcialmente por la mayor velocidad de ingreso del aire, solamente si el ventilador tiene la capacidad (presión estática en la descarga), para compensar la caída de presión consecuente, de lo contrario, también podría limitar la producción de calor y vapor en un porcentaje adicional. Para compensar el fenómeno de altura tendría que reemplazarse el ventilador por otro de mayor caudal y presión, probablemente un turbo soplador ( mbar), pero no podría mantenerse las condiciones de eficiencia debido a la aceleración del paso de los gases a través de la zona convectiva. La eficiencia del caldero podría afectarse en mayor proporción cuando se utilice combustibles difíciles de quemar en los cuales resulte fundamental la calidad de mezcla. Cuando la forma de atomización depende del aire atmosférico la operación podría resultar imposible de optimizar por no poderse conseguir una atomización perfecta Los fabricantes de equipo pretenden compensar las deficiencias del aire en altura vendiendo equipos de mayor capacidad, obteniendo mayores beneficios económicos. La adecuada selección de ventiladores con suficiente capacidad para compensar la disminución de presión en altura y/o la modificación de los existentes, resultará suficiente para alcanzar similares condiciones operativas que en condiciones normales.

21 1.9 INFLUENCIA DE LA ALTURA EN CALDEROS ACUOTUBULARES: En Calderos Acuotubulares el problema químico sería similar, dependiendo la extracción de gases del sistema de circulación (forzado o inducido). En este caso también podría afectarse la transferencia de calor por radiación si disminuye la temperatura de llama, lo que podría suceder por falta de intensidad de mezcla. Respecto a la calidad de transferencia de calor también se vería afectada por el mayor volumen de gases inicial, resultando necesario incrementar la succión para compensar el aumento de presión en el hogar. Debe tomarse en cuenta que en un caldero pirotubular el 80-85% se transfiere por convección, mientras que en acuotubulares la proporción de calor transferido por radiación aumenta proporcionalmente con su capacidad hasta llegar a un 85 %. Un caldero acuotubular de 50 TM/hr transfiere 50/50 % de cada uno de los tipos de transferencia de calor. La compensación del aporte de mayor volumen de aire y/o incremento de presión podría aumentar la velocidad de circulación de gases, afectando la eficiencia del sistema y poniendo en riesgo los tubos del economizador en casos extremos. En calderos acuotubulares la complicación del trabajo del quemador y la formación de llama puede también complicarse, pudiendo afectar la integridad de los tubos en caso de ancharse o alargarse la llama, ocasionando el impacto de llama sobre tubos o estructuras metálicas y/o refractarias dentro del caldero. La misma compensación anotada para calderos pirotubulares y el asegurarse de que el quemador tenga capacidad para formar llama cónica hueca, resultarán suficientes para optimizar el sistema. Figura N 15 : Caldero Acuotubular Esslingen Fabrik GmbH

22 1.10 INFLUENCIA DE LA LATURA EN HORNOS DE PROCESOS: En el caso de hornos de procesos, la influencia de la altura dependerá del tipo de quemador empleado. La sustitución de un soplador por un ventilador puede compensar la deficiencia de masa, incrementando la presión de suministro, pudiendo modificarse el diseño del quemador que determina la forma de llama: Potencia Específica y Swirl. Cuando el quemador es del tipo de atomización por aire a baja presión, el problema resulta muy grave, porque la deficiencia de masa y consiguientemente de impulso resultará insuficiente para conseguir la atomización perfecta que resulta necesaria para conseguir atomización completa con combustibles líquidos. Un caso típico es el del quemador Hauck, que utiliza el aire del ventilador para atomizar combustibles líquidos.a la deficiencia de aire de atomización se le agrega la insuficiencia de masa de oxígeno para la combustión y falta de impulso para desplazamiento de los gases quemados y la operación del quemador Hauck en altura resulta muy deficiente. Para compensar tales deficiencias resulta imprescindible sustituir el ventilador por un turbo ventilador que proporcione toda la masa de aire e impulso requeridos. Adicionalmente y en forma adecuada para cada proceso, se debe efectuar las modificaciones que resulten necesarias el el circuito de gases y transferencia de calor INFLUENCIA DE LA ALTURA EN MCI: Los motores de combustión interna se afectan con la altura en la medida que disminuye la presión de admisión, pero compensando este factor mediante un sistema de turbo compensación, el desarrollo interno de la combustión resulta similar o mejor al que se consigue en condiciones atmosféricas normales. Los equipos de uso más generalizado de esta clase son los motores Diesel y las turbinas de gas. En los motores Diesel la influencia de la altura se manifiesta por efecto de la disminución de la presión y la densidad, debiendo compensar tales deficiencias con turbo compresores. En turbinas, las deficiencias de altura deben ser compensadas en la capacidad de los compresores de aire, para asegurar que la masa que impacta los álabes resulte similar a la prevista para su operación en la consta.

23 Figura N 16 : Motores de Combustión Interna Cummins 2. DIAGNOSTICOS ENERGETICOS EN GENERADORES DE VAPOR: 2.1 SISTEMAS TERMICOS: Los sistemas térmicos son equipos cuya función es la generación de calor a través de la combustión de un combustible con el oxígeno del aire. Se utilizan para cubrir necesidades térmicas de calefacción y agua caliente y de procesos productivos tales como el tratamiento térmico de metales, el calentamiento y el secado de sustancias en diferentes sectores industriales como el químico, textil, agroindustrial, construcción, metal-mecánica, etc. Los equipos térmicos más representativos son calderas, hornos y secadores. El equipo térmico más empleado es la caldera. Estos sistemas utilizan el calor producido durante la combustión de un combustible, para calentar un fluido que posteriormente será utilizado donde existan necesidades térmicas. Los hornos, por su parte, en lugar de calentar un fluido, elevan la temperatura directamente de la carga que se encuentra en su interior. Estos equipos suelen encontrarse en la industria del metal, química, alimentos, entre otros y se emplean para el tratamiento térmico, la cocción, el curado y otras aplicaciones. Por último, los secadores, cuya función es la de reducir el contenido de humedad de las sustancias, son ampliamente utilizados en el sector alimenticio y agroindustrial. En las industrias antes mencionadas, estos sistemas térmicos son generalmente los equipos más importantes en los que se basa el proceso de producción y por lo general son los mayores consumidores de energía en la planta, llegando a alcanzar costos superiores al 50 % de la demanda energética total.

24 2.2 GENERADORES DE VAPOR. a. GENERALIDADES: El principio de funcionamiento de las calderas es combustible y comburente (aire) se inyectan en el interior de la caldera a través del quemador y se inflaman con ayuda de la llama que alimentan. La reacción que tiene lugar entre el combustible y el oxígeno del aire es altamente exotérmica, y genera como productos, residuos sólidos (como cenizas y escorias) y humos o gases a elevadas temperaturas (de 200 a 1,000 C). El contenido energético de estos gases se aprovecha en calderas para calentar un fluido (aire, agua o aceite) mediante una superficie de intercambio. El fluido que ha aumentado su temperatura servirá posteriormente para calentar un área, mover una turbina, etc. Finalmente los gases de combustión que han cedido gran parte de su temperatura, son evacuados por una chimenea. Figura N 17 : Esquema de funcionamiento de la caldera CONAE-México b. TIPOS: Las calderas se pueden clasificar en función de múltiples criterios. Según el tipo de combustión, las calderas pueden ser de cámara de combustión abierta (atmosférica o tiro natural) o cerrada (presurizada o tiro forzado). Estas últimas presentan multitud de ventajas sobre las atmosféricas como el mejor rendimiento, la estabilidad de la combustión o el mínimo exceso de aire necesario. De acuerdo con la forma de intercambio de calor, se encuentran calderas acuotubulares o pirotubulares. En las acuotubulares, hay una serie de tubos por los que circula el fluido a calentar, y por su exterior circulan los gases que ceden parte de su energía a través de las paredes de los tubos. En las Pirotubulares, son los humos calientes los que pasan por los tubos, los cuales están rodeados por el fluido a calentar. Según el rendimiento pueden ser estándar, de baja temperatura y de condensación. La caldera

25 estándar es una caldera para la producción de agua caliente, con tubos de pared simple, que trabaja a una temperatura constante del agua a la salida entre 70 y 90 C, el diseño de este tipo de caldera no permite que el vapor de agua contenido en los gases de salida condense en su interior, limitando la temperatura de retorno del agua a la caldera a los 70 C aproximadamente. Una caldera de baja temperatura permite aprovechar el calor sensible de los humos a través de un recuperador de calor especial, mientras que una caldera de condensación está diseñada para permitir que el vapor de agua de los gases de combustión condense sobre la superficie de los tubos de humos, consiguiendo recuperar el calor latente de los gases de combustión. Las calderas de alta eficiencia (baja temperatura o condensación) pueden suponer un ahorro del % del combustible utilizado especialmente si se trabaja a bajas cargas. Figura N 18 : Área lateral de un caldero pirotubular CONAE-México c. RENDIMIENTO: Uno de los parámetros más importantes para evaluar el funcionamiento de una caldera es su rendimiento, que se define como la relación entre el calor útil producido (considerando las diversas pérdidas a través de los gases de combustión, las paredes de la caldera y los caudales de purga) y la energía proporcionada por el combustible. Para evaluar el rendimiento es necesario disponer de un analizador de gases de combustión que proporcione la concentración en gases de O2, CO2, CO y la temperatura de los gases, así como un termómetro de superficie para medir la temperatura de las paredes de la caldera. El color oscuro de los humos puede implicar también un desajuste en la mezcla aire-combustible debido a una pulverización insuficiente del combustible. Si se emplean combustibles líquidos, es necesario realizar una regulación y limpieza de los quemadores para obtener una buena pulverización. El ahorro de combustible obtenido con una buena regulación de la combustión puede llegar a suponer entre el 5-7 % del consumo total del equipo.

26 Las pérdidas de calor a través de las paredes pueden reducirse hasta un %, lo que puede suponer un ahorro del 1-2 % del combustible. Si la temperatura de los gases de chimenea supera los 230 oc, puede ser debido a un mal intercambio de calor en el interior de la caldera. Para solucionarlo, habría que proceder a una limpieza. Una limpieza periódica de la caldera mejora la transferencia térmica en el interior de la misma, aumentando el calor útil obtenido y disminuyendo la temperatura de los gases de salida. Por cada 20 C que se consiga disminuir la temperatura de los gases, se reduce el consumo de combustible en un 1 % aproximadamente. A continuación se presentan las pautas a seguir para mejorar la eficiencia en caldera. Cuadro Nº 1: Optimización del funcionamiento de una caldera CONAE-México d. SUSTITUCION DE LA CALDERA: Normalmente, las intervenciones de mantenimiento periódico permiten mantener el rendimiento dentro de los límites establecidos. Pero el rendimiento no es constante a lo largo del tiempo, sino que va disminuyendo hasta que llega un punto en el que por la antigüedad de la caldera y su mal funcionamiento puede ser necesario sustituirla. La vida útil de estos equipos es aproximadamente de 15 años. Tanto en el caso de haber superado la vida útil o de haber detectado serios desperfectos de la caldera, es recomendable sustituirla por una de alto rendimiento. La instalación de una caldera de alto rendimiento, requiere una mayor inversión inicial. En comparación con una caldera estándar, el costo de una caldera de baja temperatura es un 25-30

27 % superior, mientras que para una caldera de condensación puede llegar a duplicarse la inversión inicial. Figura N 19 : Caldero pirotubular Calderas INTESA e. UTILIZACIÓN DE ECONOMIZADORES Y PRE-CALENTADORES: Los gases de combustión que salen de la caldera suficientemente calientes (a una temperatura superior a 230 C) tienen todavía energía sobrante que puede ser utilizada para precalentar el agua o el aire de combustión y disminuir la demanda de combustible. El calor recuperado de los gases puede aprovecharse incluso en un equipo distinto. Por ejemplo, pueden utilizarse los gases de escape a baja temperatura para procesos de secado. Los equipos encargados de precalentar el agua de alimentación se denominan economizadores, que no son más que intercambiadores de calor que permiten que los gases de escape calientes cedan calor al agua de alimentación. Si lo que se desea es precalentar el aire de combustión, estos se denominan pre-calentadores, que son también un tipo especial de intercambiadores de calor gas-aire. En cualquier caso se debe tener en cuenta que existe un límite por debajo del cual no es posible enfriar los gases ( C), ya que se podrían producir importantes corrosiones en conductos debido a la condensación de ácido sulfúrico. A esta temperatura se le denomina temperatura de rocío. Esta restricción no se aplica en combustibles con bajo contenido en azufre tales como gas natural o gases licuados del petróleo (GLP).

28 2.3 MEJORAMIENTO DE LA OPERACIÓN DE UN CALDERO: a. REGULAR EL EXCESO DE AIRE: El control del exceso de aire es una de las técnicas más efectivas para mejorar la eficiencia de una caldera con inversiones que pueden ser entre bajas y moderadas, dependiendo del sistema de control que se adopte. Consiste en regular los flujos de aire (mediante la apertura del damper del ventilador) y combustible (mediante la válvula de ingreso al quemador) de tal manera que se mantenga una relación aire-combustible que logre un mínimo de exceso de aire (reflejado por la concentración de Oxígeno O2 en chimenea) a la potencia del quemador que se trabaje, y con una mínima producción de inquemados (básicamente hollín y monóxido de carbono CO). El nivel mínimo de exceso de aire a emplear depende del combustible usado y del tipo de quemador disponible. Para quemadores de tiro forzado y aire sin precalentar, los niveles de exceso de aire a conseguir mediante los ajustes del sistema de control serán los que se indican en el cuadro siguiente. En dicho cuadro también se indican los valores máximos de O2, CO y opacidad de gases que corresponderían para dichos excesos de aire. Estos dos últimos valores corresponden a los inquemados y son inevitables en el proceso de combustión, pero no deben sobrepasar dichos valores máximos. Cuadro N 2: Nivel recomendado de exceso de aire y otros parámetros. Fuente:PAE-MEM Para realizar un buen ajuste del exceso de aire, logrando una combustión adecuada, es necesario obtener una buena mezcla aire-combustible. Esto se consigue poniendo previamente el sistema de combustión a punto, es decir haciendo un mantenimiento exhaustivo a bombas, filtros, calentadores, válvulas de control, sistema de atomización, boquilla del quemador, cono refractario, difusor, entre otros. Sin ello no se logrará un buen ajuste del exceso de aire.

29 Asimismo es importante una limpieza de la caldera en el lado del agua y gases. Los ahorros ha obtenerse al reducir el exceso de aire pueden ser cuantiosos dependiendo del nivel de exceso encontrado. En las siguientes figura se ilustra el ahorro de combustible obtenible al reducir el exceso de aire para dos tipos de combustibles, desde un valor dado de exceso de aire (reflejado por el % O2 inicial) hasta el 20 ó 10% de exceso de aire, según corresponda. Figura N 20 : Ahorro de petróleo PAE-MEM b. REEMPLAZAR QUEMADORES ON-OFF POR QUEMADORES MODULANTES. El reemplazo de los sistemas de regulación on off de la potencia del quemador por sistemas que modulan la potencia de acuerdo a la carga de la caldera (ver Gráfico No ), permiten no sólo reducir las altas temperaturas del gas, sino también las pérdidas de calor que se dan en el lapso de stand-by, así como las pérdidas de calor asociadas con la purga de gases calientes de la caldera antes y después de cada ciclo de fuego, las cuales podrían eliminarse al tener menor frecuencia de apagado del quemador. El cambio de sistema de regulación puede permitir incrementar la eficiencia de una caldera con sistemas on-off desde un 75% a un 77% trabajando con sistema modulante. La inversión requerida puede ser cuantiosa, lo cual debe ser analizado tomando en cuenta las horas de operación de la caldera y el consumo de combustible.

30 Figura N 21 : Sistema de Quemadores de Calderas PAE-MEM c. REDUCIR LA PRESIÓN DEL VAPOR. En términos generales a medida que la presión del vapor en una caldera se incrementa, también aumentan las pérdidas de energía debido a las altas temperaturas del gas de chimenea, mayores fugas de vapor, pérdidas de calor a través de las paredes en la caldera y tuberías de distribución y mayores pérdidas de vapor a través de trampas. Considerando ello, a veces es posible reducir la presión de vapor a un nivel compatible con las necesidades de temperatura del usuario y con el diseño de las instalaciones de distribución de vapor, lo cual debe ser cuidadosamente estudiado. Si bien se pueden conseguir ahorros al reducir la presión del vapor, o mejorar el rendimiento de la caldera, pueden surgir otros problemas si la reducción es excesiva, tales como los que se enumeran a continuación : Incremento del arrastre de humedad en la caldera. Como el volumen específico del vapor (m3/kg) se incrementa al reducir la presión, entonces pueden darse excesivas velocidades en las tuberías existentes. Funcionamiento inadecuado de trampas y algunos instrumentos sensibles a la temperatura. Menor transferencia de calor en los equipos usuarios de vapor. Pérdida de rendimiento en equipos accionados por vapor.

31 Figura N 22: Efecto de la presión de vapor en el rendimiento. PAE-MEM d. REDUCCIÓN DE LA FORMACIÓN DE DEPÓSITOS. En una caldera pueden formarse depósitos tanto en el lado del agua como en el lado de los gases. En el primer caso los depósitos se forman por causa de un mal tratamiento del agua de alimentación a caldera, principalmente por un mal ablandamiento, es decir que el agua de aporte contiene todavía sales de Calcio y Magnesio que no fueron previamente removidas en su totalidad en los equipos de ablandamiento, depositándose en los tubos por efecto del calor. Una calidad pobre del agua afecta la performance de la caldera de dos maneras: Se requiere una mayor purga dando como resultado mayores pérdidas de calor. Los depósitos de sales (caliche) en los tubos, constituye una barrera a la transferencia de calor gases-agua, que provoca no sólo la elevación de la temperatura de los gases de chimenea, con la consiguiente pérdida de calor; sino también recalentamiento de tubos y posible falla de los mismos. En el lado de los gases los depósitos de hollín se originan por una mala combustión del combustible, debido a una pobr e mezcla aire-combustible o por defecto de aire. Cuando el hollín se deposita en los tubos, también actúa como una capa de aislamiento que reduce la transferencia de calor gases -agua. El resultado global es que los gases salen de la caldera con alta temperatura y la eficiencia de la unidad se reduce, por no haberse aprovechado todo el calor de los gases.

32 Es fácil darse cuenta cuándo una caldera manifiesta ensuciamiento de tubos, simplemente por elevación de la temperatura de gases de chimenea, Para calderas pirotubulares de 3 pasos (con exceso de aire normal), una temperatura por encima de 220 C en llama alta, ya es un indicio de que se están produciendo depósitos en los tubos. Temperaturas de 350 C o más significa grave ensuciamiento y riesgos de daños para los tubos y placas de la caldera, por recalentamiento y excesiva dilatación Figura N 23: Incremento del consumo de petróleo por ensuciamiento de tubos. PAE-MEM e. RECUPERAR CONDENSADOS. La recuperación de condensados implica un ahorro de combustible en la caldera y menores costos de generación de vapor por las siguientes razones : El condensado normalmente retorna a una temperatura de 70 a 90 ºC, lo cual significa que contiene una cantidad de calor que sino es aprovechada, tienen que ser aportada por el combustible para calentar el agua de alimentación hasta la misma temperatura. Si el condensado (que es esencialmente agua pura) se pierde; el agua de alimentación tiene que ser tratada, lo cual implica mayores gastos operativos por el tratamiento y el costo del agua misma.

33 El agua de alimentación que reemplaza a un condensado no aprovechado contiene impurezas que incrementan el régimen de purga y las pérdidas de calor asociados a dicha purga. Un factor adicional que favorece la recuperación de condensados es la protección del ambiente, ya que la descarga de fluidos calientes tiene un impacto negativo en los cuerpos receptores (ríos, lagos, etc.) Figura N 24: Ahorro de Combustible por recuperación de condensado. PAE-MEM f. USO DEL CONDENSADOR DE VAPOR POR CONTACTO. El condensador de vapor es un equipo que se utiliza para obtener agua caliente aprovechando los vapores residuales de baja, enfriándolos usualmente con agua fría. En esencia está formado por un depósito cilíndrico vertical, con varias entradas y salidas: Entrada de agua refrigerante. Entrada vapor de baja presión. Salida de agua condensada. Salida de incondensables. Dicho sistema de recuperación de calor se muestra en la siguiente figura:

34 Figura N 25: Torre para recuperación de calor por condensación de vapores PAE-MEM En los condensadores de contacto el vapor de baja presión se pone en contacto con agua más fría, de tal forma que el vapor condensa y transfiere su calor latente al líquido, el cual eleva su temperatura. El diseño de un condensador de vapor debe seguirse una serie de criterios que conducen a: Evitar demasiadas caídas de presión. Evitar arrastres de gotas de agua. Eliminar bolsas de aire. Utilizar agua tratada para evitar incrustaciones. g. USAR VAPOR FLASH. Son muchas las plantas que utilizan grandes cantidades de vapor a distintos niveles de presión y no tienen en cuenta para nada el vapor de flash de los condensados. El vapor flash ó revaporizado es un vapor con las mismas características que un vapor vivo y se forma cuando un condensado pasa de una presión a otra inferior. Parte de este condensado se convertirá en vapor a la misma temperatura que corresponda a la presión inferior. La cantidad de vapor flash obtenida será igual al exceso de calor latente del vapor a la presión inferior. El exceso de calor será la diferencia entre el calor sensible del condensado a la presión superior y el calor sensible a la inferior. Con esto conseguimos convertir en calor latente parte del calor sensible del condensado.

35 En la figura se muestra una forma gráfica para calcular el porcentaje de vapor flash formado cuando un condensado a cierta presión (antes de la trampa de vapor u otro dispositivo) se expande a presión atmosférica. Figura N 26: Porcentaje de vapor flash formado de condensado descargado a presión atmosférica. PAE-MEM El vapor flash se produce siempre que se reduce la presión del condensado; por ejemplo en trampas de vapor, purgas de calderas, etc. Un ejemplo muy significativo de obtención de vapor flash es la recuperación de calor de las purgas de calderas. Por ejemplo en una caldera que trabaja a 100 psig, la temperatura del agua es de unos 170 C, y cuando una parte de ésta se purga, produce vapor flash en una cantidad equivalente al 13% del agua purgada. h. REDUCCIÓN DE FUGAS DE VAPOR. Cualquier fuga de vapor en tuberías, equipos o accesorios, representa una pérdida de energía. En la figura se muestra cómo son las pérdidas de vapor en función a la longitud del penacho ó pluma de vapor visible, así como en función del tamaño del orificio a través del cual se produce la fuga. Esta figura nos permite ver la importancia de un buen programa de mantenimiento preventivo.

36 Cuadro N 3 Perdidas de vapor por fugas Fuente :PAE-MEM i. MANTENIMIENTO DE TRAMPAS DE VAPOR. En una red de distribución de vapor, el mal funcionamiento y deterioro de las trampas de vapor o purgadores puede producir pérdidas superiores al 10% del total producido por las calderas. Es muy importante prestar la debida atención a dichos dispositivos, para lo cual se debe considerar lo siguiente: Selección del tipo adecuado de trampa para el servicio requerido. Diseño adecuado de las tuberías de drenaje de condensado. Uso de filtros de protección para las trampas. Revisiones periódicas del funcionamiento de trampas y limpieza de filtros. Establecer el mantenimiento necesario para conservar el sistema trabajando en las condiciones óptimas. Por otro lado, también en las válvulas de bloqueo y by-pass de las trampas pueden haber fugas si están en mal estado; esto es si no cierran herméticamente o fallan en el cierre. Una sola trampa mediana trabajando defectuosamente puede tener una pérdida de vapor de unos 20 kg/h, lo cual puede significar un consumo adicional de combustible en la caldera de 0,4 gal/h ó gal/año, para compensar las pérdidas por la trampa (se ha considerado un rendimiento de 50 kg/gal en la caldera y una operación de h/año). En una red de vapor donde existen decenas de trampas, es fácil encontrar que un 20 a 30% de ellas presentan fugas de vapor, siendo lo admisible en la práctica un margen de fallas de un 5% como máximo. Ello puede significar para la empresa pérdidas cuantiosas de dinero por el mayor

37 consumo de combustible, que con una pequeña inversión en mantenimiento y control, amortizable en la mayoría de los casos en menos de un mes, pueden suprimirse. Las causas de las pérdidas de energía a través de trampas se pueden calificar en pérdidas directas y pérdidas indirectas. Existen varios métodos para comprobar el funcionamiento de las trampas de vapor, tales como: Método visual: observación de la descarga de la trampa por un by-pass (no siempre es posible y hay que saber distinguir entre vapor vivo y vapor flash). Control por mirillas en línea: Tienen que estar bien ubicadas y mantenerse limpias. La mirilla de vidrio es sólo una ventana colocada en el lado de la descarga de la trampa, de tal forma que el flujo descargado pueda ser observado. Control por medición de temperaturas antes y después de la trampa: puede resultar engañoso en algunos casos. Es necesario complementarlo con otros métodos. Método acústico: chequeo por el sonido que produce el vapor ó condensado a su paso por la trampa. Es un buen método en muchos casos y si no hay interferencias, puede complementarse con otros métodos. El monitoreo de trampas permitirá conocer periódicamente el estado de las trampas y de acuerdo a ello tomar acciones preventivas o correctivas. La periodicidad del monitoreo dependerá de las horas de funcionamiento del sistema de vapor, de la presión de trabajo, del modo cómo se opere el sistema, del diseño del mismo, etc. De acuerdo a ello la frecuencia puede variar de 2 a 4 veces al año. j. MEJORAR EL AISLAMIENTO. Típicamente las calderas y sistemas de vapor en el país trabajan a una presión de 100 a 150 psi, lo cual significan que las instalaciones desnudas (equipos, tuberías, accesorios, etc.). Tiene temperaturas superficiales de 155 a 170 C aproximadamente, por lo cual se crean gradientes e temperatura con el aire exterior que producen intercambios de calor que se traducen en pérdidas de energía al ambiente, lo cual es mayor cuando las instalaciones están a la intemperie. Sucede también con frecuencia que el aislamiento es retirado de las tuberías, válvulas y partes de las calderas, para fines de reparación y no es repuesto, dejando así superficies desnudas que constituyen no solo un riesgo para la seguridad de los trabajadores, sino también una pérdida de calor que produce condensación de vapor y merma de éste, lo cual tiene que ser compensado con mayor aporte de combustible en la caldera.

38 Para reducir las pérdidas de calor al ambiente es necesario que las superficies de tuberías, accesorios, equipos, etc., estén convenientemente aisladas, lo cual permitirá evitar que aproximadamente un 90% de la energía se pierda innecesariamente. El otro 10% se perderá inevitablemente, pues los aislamientos no son 100% eficaces. La eficiencia y servicio de un aislamiento depende directamente de su protección a la entrada de humedad y del daño mecánico o químico, por lo tanto la selección de materiales para acabado de protección debe estar basada en las condiciones de la instalación. Cualquiera sea el caso, al seleccionar un aislante para una determinada aplicación, deberán tomarse en cuenta las siguientes consideraciones: Tipo de aislante. Conductividad térmica. Emisividad del aislante. Temperatura de trabajo. Densidad. Característica higroscópica. Capacidad de secado rápido si absorbe humedad. Estabilidad (alteración de sus características térmicas). Resistencia a la combustión. Emisión de gases tóxicos en caso de combustión. Facilidad de colocación. Resistencia al daño y al deterioro. Resistencia a la deformación y contracción. Facilidad para recibir un acabado exterior superficial. No ser peligroso para la salud durante su instalación. Para los sistemas de vapor a las presiones usuales en el país, es muchas veces suficiente y adecuado usar aislamiento de fibra de vidrio, la cual viene muchas veces en presentaciones preformadas listas para instalar, lo que aunado a su bajo peso y buenas características térmicas, significan bajos costos de instalación de aislamiento.

39 3. HORNOS. 3.1 GENERALIDADES: Los hornos térmicos tienen un principio de operación similar al de las calderas: el calor generado al quemar un combustible se utiliza para transformar físicamente cierto producto. La diferencia fundamental con las calderas es que en este caso, en lugar de calentar un fluido intermedio que posteriormente se empleará para realizar la transformación, es directamente el producto el que eleva su temperatura en el interior del horno. Debido a la similitud en el principio de operación con las calderas, las medidas de ahorro expuestas en la sección anterior, tales como un buen aislamiento del equipo, la recuperación de calor de los gases, etc. pueden también aplicarse a estos sistemas. Hay que mencionar que últimamente los hornos eléctricos vienen sustituyendo a los hornos térmicos debido a su mayor limpieza, facilidad de control y mantenimiento y en algunos casos mejor eficiencia. Figura N 27: Horno Industrial Fuente: CONAE El objeto del calentamiento es : Fundir un material ( Alto Horno). Ablandar un material para una operación de conformación posterior(hornos de calentamiento)

40 Tratar térmicamente una pieza para impartir determinadas propiedades(horno de recocido) Recubrir las piezas con otros elementos, operación que facilita frecuentemente operando a temperatura superior a la del ambiente (horno de galvanizado). También se consideran a los incineradores, que son equipos térmicos destinados a la combustión y/o eliminación de residuos, 3.2 CLASIFICACION SEGÚN LA FUENTE DE ENERGIA: a. HORNOS QUE OPERAN CON ENERGIA TERMICA : La energía calorífica requerida para el calentamiento de los hornos puede proceder de: Gases calientes producidos en la combustión de combustibles sólidos (carbón), líquidos (petróleo residual) o gaseosos (Gas licuado de Petróleo o Gas Natural) que calientan las piezas por contacto directo entre ambos o indirectamente a través de tubos radiantes o intercambiadores en general. b. HORNOS QUE OPERAN CON ENERGIA ELECTRICA : Dentro de este tipo de Horno tenemos : Arco voltaico de corriente alterna o continua. Inducción electromagnética. Alta frecuencia en forma de dielectricidad o microondas. Resistencia óhmica directa de las piezas. Resistencias eléctricas dispuestas en el horno que se calientan por efecto Joule y ceden calor a la carga por las diversas formas de transmisión de calor. A los hornos industriales que se calientan por este medio se denominan hornos de resistencias. 3.3 CLASIFICACION SEGÚN EL INGRESO DE LA CARGA: HORNOS CONTINUOS : Son aquel tipo de hornos en el cual existe siempre un flujo de carga de entrada y un flujo de carga de salida. Presenta la ventaja de tener una continuidad en el proceso, con la desventaja de que presentan pérdidas por radiación a través de ventanas y puertas de ingreso y salida de la carga, quien frecuentemente está abierta. Son ejemplos de hornos continuos.dentro de este conjunto de hornos tenemos: Los Hornos de Calentamiento de empuje continuo

41 Los Hornos de recubrimientos de planchas. Los hornos de vigas galopantes. Los Hornos de galvanizado. El Alto Horno. Figura N 28 Horno Rotativo Fuente: Fabrica EL ALTO HORNOS POR LOTES O BATCH: Son aquellos hornos cuya carga entrante permanece invariable durante el proceso de calentamiento, luego de esto se retira totalmente la carga e ingresa una nueva. Dentro de este tipo de hornos tenemos: Hornos de Foso.. Hornos de Recocido Hornos Eléctricos.

42 Figura N 29 Horno de Inducción Fuente: Furnace Industries 3.4 MEDIDAS DE AHORRO. Antes de optimizar el equipo, es necesario investigar si se puede mejorar el proceso. A continuación. Se enuncian algunas medidas: Es muy importante que el equipo térmico se utilice exclusivamente para los procesos y los productos para los que fue diseñado. Los procesos en continuo utilizan generalmente menos energía que los procesos por lotes. Si los productos requieren de un proceso por lotes, es mejor utilizar equipos de baja inercia térmica de modo que la temperatura de funcionamiento se alcance rápidamente. La automatización completa del control de los equipos térmicos y de las operaciones de carga y descarga acelerará el proceso y permitirá un mejor funcionamiento de los equipos. Evitar operar a cargas parciales. Operar a plena carga implica utilizar menos combustible por unidad de producto y reducción de costos. Al igual que en calderas, se pueden obtener importantes ahorros de combustible utilizando el calor de los gases de escape para precalentar el aire de combustión. Los gases calientes también pueden utilizarse para precalentar el producto antes de entrar al dispositivo de calentamiento. De esta manera la demanda energética en el interior del equipo térmico disminuirá, por lo que se necesitará menos combustible.

43 Si después de optimizar el proceso, todavía existe un flujo significativo de calor residual, se puede reconsiderar su uso para producción de agua caliente, limpieza de áreas/equipos, etc. 4. SECADORES. 4.1 GENERALIDADES: a. DEFINICION: La deshidratación es una técnica de conservación de alimentos que se basa en la eliminación de agua de los mismos para darles estabilidad microbiana, reducir las reacciones químicas deteriorativas y reducir los costos de almacenamiento y transporte. Los procesos de deshidratación se pueden dividir en: Concentración, en la que se refiere a un proceso en el cual la materia prima normalmente es un líquido, y el contenido final de agua es de 30%. Secado, en donde el contenido de agua es reducido a menos de 10% y el producto inicial pueden ser placas más o menos rígidas, gotas o partículas de cualquier forma. b. METODOLOGIA. Los métodos y procesos de secado se clasifican de diferentes maneras; se dividen en procesos de lotes, cuando el material se introduce en el equipo de secado y el proceso se verifica por un periodo; o continuos, si el material se añade sin interrupción al equipo de secado y se obtiene material seco con régimen continuo. Los procesos de secado se clasifican también de acuerdo con las condiciones físicas usadas para adicionar calor y extraer vapor de agua: En la primera categoría, el calor se añade por contacto directo con aire caliente a presión atmosférica, y el vapor de agua formado se elimina por medio del mismo aire. En el secado al vacío, la evaporación del agua se verifica con más rapidez a presiones bajas, y el calor se extrae indirectamente por contacto con una pared metálica o por radiación (también pueden usarse bajas temperaturas con vacío para ciertos materiales que se decoloran o se descomponen a temperaturas altas). En la liofilización, el agua se sublima directamente del material congelado.

44 4.2 EQUIPOS: a. SECADO EN BANDEJAS: También se llama secador de anaqueles, de gabinete, o de compartimientos, el material, que puede ser un sólido en forma de terrones o una pasta, se esparce uniformemente sobre una bandeja de metal de 10 a 100 mm de profundidad. Un secador de bandejas típico, tal como el que se muestra en la Figura, tiene bandejas que se cargan y se descargan de un gabinete. Un ventilador recircula aire calentado con vapor paralelamente sobre la superficie de las bandejas. También se usa resistencias eléctricas, en especial cuando el calentamiento es bajo. Más o menos del 10 al 20% del aire que pasa sobre las bandejas es nuevo, y el resto es aire recirculado. FIGURA Nº 30 : Secador de Bandejas. Fuente: HERBOTECNIA b. SECADORES CONTINUOS DE TUNEL. Los secadores continuos de túnel suelen ser compartimentos de bandejas o de carretillas que operan en serie, tal como se muestra en la figura. Los sólidos se colocan sobre bandejas o en carretillas que se desplazan continuamente por un túnel con gases calientes que pasan sobre la superficie de cada bandeja. El flujo de aire caliente puede ser a contracorriente, en paralelo, o una combinación de ambos. Muchos alimentos se secan por este procedimiento.

45 FIGURA Nº 31 : Secador continuo de túnel. Fuente: HERBOTECNIA c. SECADORES ROTATORIOS. Un secador rotatorio consta de un cilindro hueco que gira por lo general, sobre su eje, con una ligera inclinación hacia la salida. Los sólidos granulares húmedos se alimentan por la parte superior, y se desplazan por el cilindro a medida que éste gira. El calentamiento se lleva a cabo por contacto directo con gases calientes mediante un flujo a contracorriente. En algunos casos, el calentamiento es por contacto indirecto a través de la pared calentada del cilindro. En este caso cuando el contacto es indirecto la transferencia de calor se realiza por conducción. Las partículas granulares se desplazan hacia adelante con lentitud y una distancia corta antes de caer a través de los gases calientes ( los cuales pueden ser gases calientes de la combustión o aire caliente), como se muestra.