ESTUDIO DE LA FACTIBILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA PARA LA RECUPERACIÓN DE CALORES RESIDUALES EN LA EMPRESA MANUFACTURAS CAROLINA S.A.

Sientia et Tenia Año XII, No 31, Agosto de 2006 UTP. ISSN 0122-1701 79 ESTUDIO DE LA FACTIBILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA PARA LA RECUPERACIÓN DE CALORES RESIDUALES EN LA EMPRESA MANUFACTURAS CAROLINA S.A. RESUMEN En este artíulo se presentan las metodologías de álulo y diagnóstio para la evaluaión de pérdidas y alores residuales, así omo del potenial térmio disponible para reuperar éstos en la empresa Manufaturas Carolina S.A. Los poteniales de aorro y de impato ambiental tambien son presentados en este trabajo. PALABRAS CLAVES: Calores residuales, Efiienia energétia. ABSTRACT In tis paper te alulus and diagnosis metodologies in order to evaluate te losses and residual eats as well as te available termal potential in Manufaturas Carolina S.A. are presented.. Te potentials of saving and environmental impat also are presented in tis work. KEYWORDS: residual eats, Energeti Effiieny ÁLVARO HERNÁN RESTREPO V. Ingeniero Meánio, MS. Profesor Auxiliar Universidad Tenológia de Pereira arestrep@utp.edu.o JUAN CARLOS BURBANO J. Ingeniero Meánio, MS. Profesor Asistente Universidad Tenológia de Pereira jburbano@utp.edu.o YAMID A. CARRANZA S. Ingeniero Meánio, MS. Profesor Auxiliar Universidad Tenológia de Pereira yamid@utp.edu.o 1. INTRODUCCIÓN El inremento ontínuo de la demanda de energía asoiado al desarrollo soioeonómio, las restriiones finanieras para ampliar la oferta energétia, la neesidad de lograr una mayor ompetitividad internaional y de atenuar el impato ambiental de las tenologías energétias, fundamentan la importania que tiene oy en día el mejoramiento de la efiienia energétia de ualquier proeso. La fatibilidad ténio-eonómia de reuperar los alores residuales presentes en la empresa Manufaturas Carolina S. A. representa a la fea un problema aún no resuelto y que limita poder explotar esta vía para el inremento de efiienia energétia del sistema de generaión y distribuión de vapor de la empresa. Por alor residual se entiende todo aquella pérdida de energía que se libera omo deseo al medio ambiente desde equipos industriales omo interambiadores de alor y sistemas de distribuión del mismo. Para el aso de manufaturas arolina las pérdidas de alor sensible on los gases de salida de la aldera, la no reuperaión de la totalidad de los ondensados del sistema de vapor y los deseos del baño de teñido del área de tintorería, onstituyen los prinipales poteniales en uanto a reuperaión de alores residuales. 2. CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DE LA EMPRESA MANUFACTURAS CAROLINA S. A. La Empresa Manufaturas Carolina S. A. es una fábria textil, ubiada en el km. 4 vía Ibagué - Bogotá, que desarrolla el proeso de produión de prendas de vestir. La Figura 1 ilustra el diagrama de flujo que sigue el produto. Hilos de Algodón Tejeduría Rollos de tela ruda Tintorería y aabados Plaas de tela terminada Tela al merado terminada Merado Prendas de vestir Corte y onfeión Figura 1. Diagrama de flujo del produto. El proeso de produión se iniia en la seión de tejeduría; donde se fabria la tela a partir de ilo de algodón, que viene enrollado en tubinos desde empresas de la región omo Fibratolima y Texpinal. La tela llamada tela ruda, pasa a la seión de tintorería y aabados donde seis máquinas (baras tiñen la tela siguiendo una urva de teñido (temperatura - tiempo para obtener el olor deseado. Posteriormente a la tela tinturada se le da el aabado final on lo ual se obtiene un adeuado nivel de estabilidad dimensional y un exelente aspeto al tejido. La tela terminada pasa luego al área de manufaturas de la planta, donde se realiza el orte y la onfeión. Fea de Reepión: 31 Enero de 2006 Fea de Aeptaión: 06 Junio de 2006

80 Sientia et Tenia Año XII, No 31, Agosto de 2006. UTP Finalmente las prendas son distribuidas en los diferentes puntos de venta de la iudad, transportadas a otras iudades del país o enviadas según pedidos al exterior. 2.1 Desripión del área de tintorería y aabados de la empresa La seión de tintorería y aabados, onstituye el área de prinipal interés en el presente estudio. Esta área tiene una apaidad de produión de 120 toneladas de tela por mes. En las máquinas allí instaladas se onentran las prinipales posibilidades de reuperaión de alores residuales además, se onsumen grandes volúmenes de portadores energétios omo son: Agua aliente, Vapor saturado, Aire omprimido y Energía elétria. Sistema de generaión de vapor. La generaión de vapor es llevada a abo por una aldera pirotubular de 200 BHP mara Master DISTRAL S.A. modelo 3 VBS que utiliza omo ombustible fuel oil (ombustoleo y que tiene un onsumo nominal de 54.36 gal/, on una produión nominal de vapor de 6900 lbm/ a 212 o F (52.16 /s a 100 o C, a una presión de 142 psig. Ver figura 2. Figura 3. Esquema térmio de generaión y uso del vapor para el área de tintorería. Se observa que, de los equipos que utilizan vapor, se reupera el ondensado de la seadora, la ompatadora y la bara uatro, que se envían por la línea de retornos on el fin de alentar el agua de alimentaión de la aldera, Pero se desean los ondensados de los interambiadores de superfiie de las baras ino y seis que pueden ser reuperados. Los prinipales proesos que se realizan en el área de tintorería y aabados son: El teñido, La idroextraión, el seado y el planado. La tabla 1 y la figura 4 muestran las araterístias operativas de las 6 baras de tintorería. Bara Tipo Capaidad de Agua (lts Cantidad Tela ( Consumo de Vapor (/ Abierta 3000 300 344.1 Abierta 2000 200 281.6 Abierta 2000 200 281.6 Cerrada 2000 190 307.5 Cerrada 1300 200 334.3 Cerrada 2400 400 387.6 Figura 2. Caldera pirotubular instalada en la empresa. Tabla 1. Consumos de las baras de tinturado. Esquema térmio de distribuión de vapor. Éste esquema se ilustra en la Figura 3. El suministro de vapor de la fábria está orientado aia el área de tintorería y aabados, donde las máquinas que requieren vapor son: Las Baras Abiertas (1-2-3 para el Teñido en aliente de tela de olor blano. La Bara Cerrada (4 para el Teñido en aliente de tela de olor b lano. Las Baras Cerradas (5-6 para el Teñido en aliente en distintos olores. La Seadora de leo fluidizado para el seado de tela tinturada on aire aliente La Calandra de Compataión para el planado de la tela sea mediante ilindros de aero a alta temperatura. Figura 4. Aspetos de una bara abierta y una errada Para el proeso final de seado y planado el onsumo de vapor nominal es de (460 / 3. METODOLOGÍAS DE CÁLCULO Y DIAGNÓSTICO PARA LA EVALUACIÓN DE PÉRDIDAS Y CALORES RESIDUALES. [1], [2] Para la evaluaión de las posibilidades de aorro se ae neesario realizar los álulos de evaluaión energétia del sistema de generaión y distribuión de vapor.

Sientia et Tenia Año XII, No 31, Agosto de 2006. U.T.P 81 3.1 Metodología de álulo de la efiienia en generadores de vapor. La tabla 2 muestra los dos métodos empleados para determinar la efiienia de un generador de vapor y que están aprobados por el ódigo ASME (Te Amerian Soiety of Meanial Engineers [7] Método Efiienia Direto u η gvd 100 d Indireto η gvi 100 p Tabla 2. Métodos ASME. Efiienia en alderas u : Calor útil d : Calor disponible p : Calor de pérdidas Perdidas por gases de ombustión. Perdidas por la umedad en el ombustible. Perdidas por formaión de CO. Perdidas por la ombustión del idrógeno. 3.2 Diagnóstio energétio en aislamientos térmios y en fugas de vapor. Los propósitos generales son: Estableer poteniales de aorro. Reomendar modifiaiones ténias y eonómiamente viables que permitan mejorar la efiienia en los aislamientos térmios industriales y la reduión o eliminaión de fugas de vapor. 3.3 Metodología para el diseño de eonomizadores y reuperadores de alor. [3] El análisis térmio es la base del álulo del interambiador gases - agua pues se logra definir la geometría del eonomizador y la antidad máxima de agua a alentar. La temperatura del agua a la salida del reuperador se asume según las neesidades del proeso. Calor absorbido por el agua ( aa aa b m [ kj s] v / (1 b : Calor por balane de energía. kj / s (2 Donde: ( b ( ' g eon ' ' g ϕ [ ] eon Entalpía de los gases a la entrada ( g eon ' Entalpía de los gases a la salida ( ' g eon Se busa on la nueva temperatura de salida de los gases y se omprueba que éste valor sea inferior de 200 o C para evitar problemas de ondensaión. 4. EV ALUACIÓN TÉCNICO-ECONÓMICA DEL POTENCIAL TÉRMICO DISPONIBLE PARA RECUPERAR LOS CALORES RESIDUALES. [6], [7] Aunque la línea de proeso del área de tintorería y aabados aree de la instrumentaión ompleta para reoger la totalidad de los datos y, los instrumentos existentes están dispuestos en funión de los objetivos de la produión se logró, obtener los datos reurriendo a la informaión de fabriantes, medidas experimentales y estimaiones del personal de operaión. Balane de agua. La neesidad de agua en la planta se entra en suministrar el agua de alimentaión de la aldera (1284 H2O / y el agua para los baños de teñido de las baras, que para un promedio de produión de tres teñidos por día equivaldría a (625 H2O /. Balane de vapor. La neesidad de vapor de la planta no se onoe y se alula en el presente estudio; dia demanda de vapor radia en los equipos onsumidores del área de tintorería y aabados. Para la seadora y la ompatadora los onsumos máximos de vapor son suministrados por el fabriante. Pero para las baras de teñido los onsumos máximos, se alularon durante las elevaiones de temperatura, ya que durante los sostenimientos de temperatura, la antidad de vapor que se inyeta es menor y se ae en forma periódia. La euaión para definir onsumos en las máquinas es: Cpa ta + Mt Cpt tt Mv ( (3 n a + t Ma v l De esta euaión se dedue la masa de vapor en que se requiere para una elevaión de temperatura; y on el tiempo que dura el alentamiento se tiene que: m v Mv / t ( vapor/. (4 Donde: n: alor total para la elevaión de temperatura en kj. a y t: alor para alentar el agua y la tela en kj. Ma y Mt: masa de agua y de tela a alentar en Cpa y Cpt: alor espeífio del agua y tela en kj / o C ta y tt: elevaión de temperatura de agua y tela en o C v : entalpía del vapor saturado a 100 psi en kj / l : entalpía del liquido saturado a 14,7 psi en kj / Mv: masa de vapor en t : tiempo del alentamiento en oras. mv : flujo de vapor en /. Máquina Consumo máximo Fator de empleo Seadora 360 0,6 216 Consumo promedio Compatadora 100 0,6 60 Bara abierta No1 344,14 0,45 154,863 Bara abierta No2 270,65 0,45 121,7925 Bara abierta No3 281,64 0,45 126,738

82 Bara errada No4 307,26 0,45 138,267 Bara errada No5 334,29 0,6 200,574 Bara errada No6 387,66 0,6 232,596 2385,64 1250,8305 Demanda Consumo pio promedio del vapor total Tabla 3. Demanda de vapor medida experimentalmente. El análisis de onsumo de las máquinas, teniendo en uenta el fator de empleo es de 1250.8 / omo demanda promedio, valor que esta aorde on la produión de vapor medida en la aldera que es de 1284 /. Y sí se valora el onsumo máximo de vapor, trabajando todos los equipos simultáneamente, es de 2385 / que resulta inferior a la máxima produión de vapor de la aldera que es 3129 /. Balane de Condensados. Para determinar la antidad de ondensados que se presentan en la planta, se realizaron mediiones experimentales del audal de los mismos. Los resultados obtenidos son: La antidad de ondensado que se reupera atualmente y se envía al tanque de alimentaión de la aldera, se estimó que es de 420 H2O /. La antidad de ondensado que se desea atualmente, se estimó en 453 H2O /. La antidad de agua de enfriamiento, deseada de los interambiadores de superfiie de las baras de teñido, se estimó en 5670 H2O /ora /. Y Los baños on tintes y aditivos químios, deseados de las bara de teñido, equivalen a 6480 H2O /. También resulta neesario definir las temperaturas de estos afluentes. Para los ondensados, durante el proeso de alentamiento en las baras equivale a tener liquido saturado a 0.76 MPa es deir 168.5 o C. Para el agua de enfriamiento, la temperatura de desarga, es de 42 o C y para los baños de teñido, la temperatura de desarga, es de 65 o C. Todas estas aguas residuales que se liberan del área de tintorería, se desargan al alantarillado. Balane energétio de la aldera en ondiiones atuales. [5] Básiamente, se alula la efiienia del generador de vapor por el método direto. El poder alório del Combustóleo (Fuel Oil No 6 es: Poder Calório Inferior: 40069.5 kj/ Poder Calório Superior: 42277.2 kj/ El onsumo de ombustible medido en el tanque diario de 24.08gal/ lo ual equivale a 92.9 /. Sientia et Tenia Año XII, No 31, Agosto de 2006. UTP Efiienia por el método direto. Se alula por la euaión que aparee en la tabla 2. Reemplazando se tiene: Dv η B ( v aa ( + b 3177129.6kJ/ 0.849 84.9% 3738249.5kJ/ Donde: D : Flujo de vapor generado por la aldera. v v : Entalpía del vapor generado: 2768 kj/ aa C : Entalpía del agua de alimentaión: 293.6 kj/ B : Consumo de ombustible: 92.9 / : Poder alorífio inferior del ombustible. b : Entalpía de entrada del ombustible 4.1 Evaluaión ténio-eonómia de reuperar los ondensados y aislar tramos de la red de vapor. Costo de produión del vapor. El osto de la generaión de vapor, se alula de la siguiente manera. Costo vapor osto fijo + osto variable Costo fijo depreiaión + salarios Depreiaión anual (amortizaión(inversión iniial Depreiaión anual (.1 % ( $70'000.000 0 7'000.000 año $ año El osto de salario se despreia pues no existe una persona que ofiie omo alderista. Entones el osto fijo 1,100 $ Costo variable (Combustible + C.agua + C.energía elétria + C.químios Costo ombustible 546 $ 92.9 50,700 $ Costo Agua 0.35 $ 1284 450 $ Costo energía elétria 26,500 $ día día 1 20 1325 $ El osto de los produtos químios se despreia pues no se realiza un estrito ontrol de las propiedades del agua de alimentaión de aldera lo ual no es adeuado. Costo variable 52,475 $ Costo vapor 53,575 $ tonelada de vapor 1,284 Costo vapor 41,725 $ tonelada de vapor Como se observa, este parámetro del osto de vapor se ve afetado notoriamente por el osto del ombustible, resultando los demás fatores asi despreiables. Por lo ual los aorros energétios de las medidas propuestas, se plantean de auerdo al onsumo de ombustible.

Sientia et Tenia Año XII, No 31, Agosto de 2006. U.T.P 83 Reuperaión de los ondensados de vapor. Atualmente en la planta de tintorería y aabados se retorna el ondensado de las máquinas seadora, ompatadora y bara No. 4 al tanque de agua de alimentaión de la aldera; lo ual equivale al onsumo de vapor y es un total de 414.2 ondensado/ora. La máquina que mayor ondensado retorna es la seadora on 216 /. Pero en el transurso del día mientras esta no se enienda, la temperatura del agua de alimentaión de la aldera no alanza el valor promedio de 70.2 ºC. Por ello se plantea la posibilidad de retornar los ondensados de las baras No. 5 y 6 que son iguales al onsumo de vapor de 433.1 ondensado/. Para estimar el dinero que se pierde al desear este flujo masio de ondensado se alula el aorro al suponer un aumento de la temperatura del agua de alimentaión asta 85 ºC. Con lo ual el nuevo onsumo de ombustible es de: DU ( v a B (5 η ( b + Reemplazando se tiene que: ( 2768 355.6 3097521.6 90. ( 40069 + 170.5 3416.3.33 1284 B 66 0.849 Para evideniar la potenialidad del aorro anual que se obtiene on las medidas propuestas, se onsideran los días efetivos de trabajo que son 317 días / año. Para onoer el aorro en pesos al año se debe onoer el preio del ombustible que según la empresa distribuidora es de: 4200 $/galón y el osto del ombustible en $/ será de: 4200 $ 264.13 galón galón 3 m Costo ombustibl e 1306.6 $ 1306000$ ton 849 3 m on respeto al onsumo atual; el aorro en ombustible será de: B aorrado 92.9 90.66 2.24 / B aorrado (2.24/(6340 /año 14,200 /año 14.2 ton /año ue representa un aorro en dinero de: (1,306,000 $/ton omb(14.2 ton omb/año 18,554,433 $/año Costo de la inversión: omo se tiene instalado para la desarga de ondensado a la salida de las baras 5 y 6 una tubería en aero galvanizado de 1 pulgada, se requieren aproximadamente 20 metros de dia tubería para onetar el retorno a la red prinipal (según otizaión on la empresa Hierros de Oidente se onsiguen en el merado dia tubería en tramos de 6 metros de longitud por un valor de $54,500.oo. Así el osto del material es de $327,000.oo El osto de ensamble de las tuberías, las uatro llaves de paso que se requieren para ontrolar el flujo de ondensados y el tiempo disponible del operario para mantener la temperatura del agua de alimentaión en el valor deseado; se estima en un valor aproximado de: osto de instalaión $475,000.oo Así la inversión total será de $802,000.oo on lo ual el tiempo simple de reuperaión de la inversión es: inversión 802,000 TRI S 0.043 años 16días aorro 18'554,433 Aislamiento de los tramos de la red de vapor. En la planta de tintorería y aabados, solo se tiene aislada la tubería prinipal de distribuión de vapor y el resto de la red omo son la entrada de vapor a las máquinas y la tubería de retorno de ondensados se enuentra sin aislamiento térmio. El álulo de esta perdida de alor equivale a 36.0 kw. Posteriormente se izo el álulo de espesor ritio y se obtuvieron efiienias del aislante de 82% al 87% en el aorro de energía proponiendo omo material aislante fibra de vidrio que da una idea del efeto positivo que se logrará. Así el nuevo alor perdido on el ais lante es de 5.34kW. Con lo ual se tiene un aorro de (36.0 5.34 30.66 kw. Apliando la siguiente formula se tiene que el ombustible perdido por liberar este alor al medio es: aorrado 30.66 kw 4 x omb omb m 8.97 10 kj s 3. 23 η aldera d 0.849 40239.5 Presentándose un aorro anual de: (3.23/(6340/año(1ton/1000 20.47 ton/año y que en pesos representa un aorro anual de: (20.47 ton /año($1`306,600 /ton $26 746,102/año. La inversión requerida en las añuelas de fibra de vidrio, instalaión y sujeión se valora en un total de $1,328,000 Por otro lado también se debe onsiderar el osto de la aqueta de aluminio sujetada mediante tornillos y que debe reubrir la tubería de retorno de ondensados de 1 pulgada que se enuentra a la intemperie. El valor de está aqueta se alula omo: ($ 35,150 / m para aqueta de aluminio de 0.4 mm de espesor (15m $527,250 Así el osto total de la inversión es de $855.250. Y el tiempo simple de reuperaión de la inversión es: inversión 1,855,250 TRI S 0.069años 26días aorro 26.746.102

84 4.2 Evaluaión de instalar el reuperador de alor de tubos ortos en la aldera. Se deidió proponer un reuperador en lugar de un eonomizador por la gran demanda de agua requerida en el proeso y que los equipos eonomizadores exigen un alto grado de utilizaión de la aldera. Balane térmio del reuperador. Para realizar el balane se parte de las siguientes ondiiones: Considerar un enfriamiento de los gases asta 200 C. Una temperatura de entrada del agua al equipo de 26 C. Una temperatura de salida del agua a 60 C. Consumo de ombustible sin reuperador de 92.8 /. Cálulo del alor disponible por balane térmio. ( g g ϕ b m (6 g : Entalpía de los gases a la entrada kj/: 5762 kj/. g : Entalpía de los gases a la salida kj/: 5177 kj/. ϕ - Coefiiente de onservaión de alor, ϕ 0.98 : Consumo de ombustible: 92.8 / m b 14.77 kw. Determinaión del flujo máximo de agua a alentar. En estas ondiiones se puede obtener: ( Ta Ta agua m Cp (7 agua agu Donde Cp agua 4.18 kj/k Ta Temperatura del agua a la salida (60 0 C Ta Temperatura del agua a la entrada (26 0 C Se tiene un flujo máximo m agua 335.9 /. La neesidad es de 625 / pero para el potenial disponible en los gases no es posible alentar este flujo de agua, sólo es posible alentar 335.9 /. Se observa que on la inlusión de este equipo se alanza un aorro de 8.8 toneladas de ombustible al año. Los ostos de montaje y onstruión de esta variante son los más elevados, no obstante se debe esperar si la empresa se deide a pratiarla, para evaluar orretamente el periodo de reuperaión de la inversión, ya que la propuesta que se aluló demuestra la potenialidad de utilizar el alor de los gases de esape de la aldera para alentar el 50% del agua neesitada en el proeso. En la tabla 4, se resumen los aorros que se obtienen on las medidas propuestas; además de que se inluye el fator del impato ambiental de la evaluaión en la disminuión de CO 2 y SO 2 en la emisión de gases de ombustión de la aldera. Medida Sientia et Tenia Año XII, No 31, Agosto de 2006. UTP Aorro Combustible / Ton/año Aorro$/año PRI S /añ o SO 2 Impato Ambiental m 3 /año CO 2 Turbulizadores 1.4 8.8 4 804,800 27 328.4 33031.4 días Reuperador 1.4 8.8 4 804,800 ---- 328.4 33031.4 Condensados 2.2 14.2 7 753,200 19 días 526.2 41400.2 Aislamientos 3.2 20.4 11 176,62 0 28 días 757.7 32335.1 Tabla 4. Aorros y Benefiios Ambientales. 5. CONCLUSIONES La reuperaión de la energía térmia disponible, no solo tiene efeto eonómio, sino que también representa un efeto soial al influir sobre el impato ambiental. En los álulos realizados se apreia, que on la implementaión de todas las propuestas se alanzan importantes variaiones en los parámetros de los gases de esape omo la disminuión del 8 % de los gases de SO 2 y del 15% en el volumen de CO 2. En el aspeto del aorro eonómio, se aplió el riterio eonómio del período de reuperaión simple de la inversión, sin atualizaión del osto del dinero (PRI S. Resulta importante realar, que todas las medidas tienen un orto periodo de reuperaión que no exede el mes; lo que define el gran aorro obtenido on inversiones mesuradas. 6. BIBLIOGRAFÍA [1] GIBBS, B.M., Boiler fuel savings by eat reovery and redued standby loosses. Heat Reovery Systems. Great Britain. Vol. 7 (2 151-157, 1987. [2] GUTIÉRREZ, F., Efiienia energétia: Una estrategia para el desarrollo sustentable. Conferenia sobre energétia en Améria Latina. Memorias. Vol. I, Méxio, 1994. [3] HERRERA Omar y Blano Alejandro, Equipos de transferenia de alor. Faultad energétia del ministerio de eduaión; Ediiones La Habana, Cuba. 1985. [4] KIRILLIN. V. A., Termodinámia ténia. Editorial MIR. Mosú. URRS. 1976 [5] LAPIDO Margarita, Inremento de la efiienia térmia en alderas pirotubulares por reuperaión de las perdidas de alor sensible, Tesis Dotoral, Cienfuegos, Cuba, 1998. [6]TANUERO, Nelson. Guía Metodológia para proyetos del urso de generadores de vapor. Editorial ISPJAE. La Habana, Cuba.1987 [7] CONAE, Comisión naional para el aorro de energía en Méxio Generalidades del Modulo tenológio de generaión y distribuión de vapor. Méxio, Abril de1997. ttp://www.onae.gob.mx/