Optimización energética de una planta con instalaciones a vapor, mediante la variación de temperatura

 

Energy optimization of a plant with steam installations, by means of temperature variation

 

Otimização energética de uma planta com instalações a vapor, por meio de variação de temperatura

 

 

Jeniffer Monserrath Flores-Toala ^I

mous1495@gmail.com 

https://orcid.org/0000-0002-2629-2297

           

Jonathan Israel García-Mejía ^II

jgarciamn@gmail.com 

https://orcid.org/0000-0002-9273-7792

 

Byron Stalin Rojas-Oviedo ^III

stalinrojas_96@hotmail.com 

https://orcid.org/0000-0003-2415-6205

 

 

Correspondencia: mous1495@gmail.com 

 

Ciencias Técnicas y Aplicadas

Artículo de investigación

                                                                                       

*Recibido: 19 de mayo de 2020 *Aceptado: 11 de junio de 2020 * Publicado: 22 de julio de 2020

 

        I.            Máster Universitario en Tecnologías Marinas y Mantenimiento, Ingeniera en Mecánica Naval, Docente de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Sede Orellana, Ecuador.

      II.            Máster Universitario en Tecnologías Marinas y Mantenimiento, Ingeniero en Mecánica Naval, Docente de la Universidad Laica Eloy Alfaro de Manabí, Ecuador.

    III.            Magíster en Farmacia Clínica y Hospitalaria, Bioquímico Farmacéutico, Docente de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Sede Orellana, Ecuador. 

Resumen

El objetivo de este artículo radica en explicar la manera de optimizar la energía en una instalación a vapor de una empresa, realizando variaciones a la temperatura del agua de alimentación en una caldera. El método aplicado en la investigación consiste en la aplicación de la experiencia directa en la obtención de pruebas para verificar un razonamiento, a través de mecanismos verificables como la observación de fenómenos” según (Cervera, 1998). En este caso, la observación del cambio ante la variable del aumento de la temperatura. Se realizó el cálculo y análisis a través de ecuaciones y del software Steam Tools del grupo Spirax Sarco, realizando experimentos con la variación de temperatura del agua, puesto que entre más lejos se encuentre el agua de su punto de ebullición, mayor es la energía necesitada para generar vapor, lo que implica mayor consumo de combustible y en consecuencia elevados costos, la temperatura ambiente fue de 25°C, y la temperatura de mejora de 84,4°C, se obtuvo un ahorro energético 28586,25 €⁄Año, debido a que la potencia calorífica se redujo el 10%, y de la misma manera el consumo del combustible un 7.77%. Se logró la optimización de la energía que consume la caldera. Se demostró que al aumentar la temperatura del agua, se logra una reducción de 139,18 KJ⁄s  de potencia útil, lo que significó menor consumo de agua, esto implica un ahorro económico significativo.

Palabras claves: Instalación a vapor; variación de temperatura; consumo de combustible; optimización energética.

 

Abstract

The objective of this article is to explain how to optimize energy in a steam installation of a company, making variations to the temperature of the feed water in a boiler. The method applied in the investigation consists of the application of direct experience in obtaining evidence to verify reasoning, through verifiable mechanisms such as the observation of phenomena” according to (Cervera, 1998). In this case, the observation of the change before the variable of the increase in temperature. The calculation and analysis were carried out through equations and the Steam Tools software of the Spirax Sarco group, carrying out experiments with the variation of water temperature, since the further the water is from its boiling point, the greater the energy needed to generate steam, which implies greater fuel consumption and consequently high costs, the ambient temperature was 25 ° C, and the improvement temperature was 84.4 ° C, an energy saving of € 28,586.25 was obtained ⁄Year, because the heat output was reduced by 10%, and in the same way the fuel consumption by 7.77%. Optimization of the energy consumed by the boiler was achieved. It was shown that by increasing the water temperature, a reduction of 139.18 KJ⁄s of useful power is achieved, which meant less water consumption, this implies significant economic savings.

Keywords: Steam installation; temperature variation; fuel consumption; energy optimization.

 

Resumo

O objetivo deste artigo é explicar como otimizar a energia em uma instalação a vapor de uma empresa, fazendo variações na temperatura da água de alimentação em uma caldeira. O método aplicado na investigação consiste na aplicação de experiência direta na obtenção de evidências para verificar o raciocínio, por meio de mecanismos verificáveis, como a observação de fenômenos ”, de acordo com (Cervera, 1998). Neste caso, a observação da mudança antes da variável do aumento de temperatura. O cálculo e a análise foram realizados através de equações e do software Steam Tools do grupo Spirax Sarco, realizando experimentos com variação da temperatura da água, pois quanto mais a água está do ponto de ebulição, maior a energia necessária para gerar vapor, o que implica maior consumo de combustível e consequentemente altos custos, a temperatura ambiente foi de 25 ° C e a temperatura de melhoria foi de 84,4 ° C, obtendo-se uma economia de energia de € 28.586,25 por ano. porque a produção de calor foi reduzida em 10% e, da mesma forma, o consumo de combustível em 7,77%. A otimização da energia consumida pela caldeira foi alcançada. Foi demonstrado que, ao aumentar a temperatura da água, é alcançada uma redução de 139,18 KJ⁄s de energia útil, o que significa menos consumo de água, o que implica uma economia econômica significativa.

Palavras-chave: Instalação do Steam; variação de temperatura; consumo de combustivel; otimização de energia.

 

Introducción

La energía desempeña un papel fundamental en el desarrollo de todos los sectores productivos cuya utilización debería realizarse con alta eficiencia, bajo impacto medioambiental y al menor coste posible. (Optima Grid, 2020). El consumo de energía se ha ido incrementando unido a la producción de bienes y servicios, con relación a esto la optimización energética es una gran preocupación por parte del mantenimiento, tanto por motivos medioambientales como por motivos económicos (Ramírez y Antero, 2014). La definición que describe a la eficiencia energética es “el consumo inteligente de la energía” (CONELEC, 2013), optimizar un sistema contribuye a reducir su consumo energético y permite ahorrar dinero. (Grundfos, 2018).

Las calderas o generadores de vapor son equipos que transfieren el calor proveniente de la combustión de algún combustible, ya sea gaseoso, líquido o sólido, para producir vapor o calentar fluidos y luego ser aprovechado en determinado proceso. Las calderas varían extensamente en su diseño dependiendo del método de combustión usado, el combustible utilizado, el campo de uso, tipo de circulación de agua empleada, y la presión del vapor. (Golato et al., 2008)

Las calderas son equipos de transformación de energía que normalmente operan continuamente o durante largos periodos de trabajo, condición que propicia un alto consumo energético en el tiempo. (Uceda, 2012). Las calderas de vapor son equipos omnipresentes en la industria, que suponen además uno de los puntos de consumo más elevados de un establecimiento industrial. (Todoproductividad, 2008)

Las calderas varían extensamente en su diseño dependiendo del método de combustión empleado, el combustible utilizado, el campo de uso, tipo de circulación de agua requerida, y la presión del vapor (Pineda y Hernández, 2017). A continuación, se presenta la clasificación de la caldera que fue utilizada para la investigación, es una caldera de criterio de acuerdo con la circulación de los fluidos dentro de los tubos de la caldera, y de sub-clasificación de: Calderas pirotubulares o humotubulares, que son aquellas en las cuales el humo y gases de la combustión circula por el interior de los tubos, y el agua es calentada en el exterior de los mismos (Bahamondes y Oswald, 2020). El agua de alimentación es la combinación de condensado y agua de aportación que se suministra a la caldera para la evaporación. La caldera se utiliza para producir vapor, la presión del vapor (0.5 - 100 bar) determina la temperatura y la capacidad energética, pero también la calidad del agua de alimentación (Sapiensman, 2020).

“El agua de alimentación contiene parte de condensados y agua de reposición, que pasa a través de una bomba de alimentación” (Prieto, 2017, p.24). Cuando la diferencia mínima de temperatura se incrementa el área para la transferencia de calor para los intercambiadores de calor del proceso disminuye, pero las cargas sobre los servicios auxiliares calientes y fríos se incrementan. Por tanto, la inversión de capital disminuye, pero los costos de operación se incrementan. (Benites et al., 2017)

La aplicación Spirax Sarco Steam Tools, proporciona acceso a cálculos clave en la palma de su mano. Fácil de usar, la aplicación permite un acceso rápido y fácil a nuestras herramientas Steam Table y Saturated Steam Pipe Sizing sin la necesidad de una conexión a Internet, por lo que es perfecto para los ingenieros de vapor en movimiento. Entre sus características destaca que: Admite múltiples idiomas, unidades de temperatura en ° C, ° F o K, unidades de salida predeterminadas Métricas e imperiales, datos de entrada y salida disponibles en bar g, a, Kpa g & abs y psi g & a. Spirax Sarco es el proveedor líder mundial de productos de alta calidad para el control y el uso eficiente del vapor y otros fluidos industriales. (SpiraxSarco, 2020)

A partir de los antecedentes se proyecta como problema científico, la no existencia y poca importancia de optimizar la energía en una instalación a vapor, en esta determinada empresa. El objetivo del presente artículo, es encontrar la mejor manera de optimizar energéticamente la instalación, realizando variaciones a la temperatura del agua de alimentación en una caldera. El objetivo de este artículo radica en explicar la manera de optimizar la energía en una instalación a vapor de una empresa, realizando variaciones a la temperatura del agua de alimentación en una caldera. De ahí que, la importancia del articulo radica en que se expone en el mismo, la optimización energética para la reducción el consumo energético, con un mejor rendimiento de la instalación y el ahorro de dinero que con ello se puede llegar a obtener.

 

Materiales y métodos

Para la realización de los cálculos se utilizó ecuaciones de potencia calorífica útil, temperatura, Caudal másico del combustible y un software, llamado Steam Tools del grupo Spirax Sarco, el cual se encuentra gratuita y abierta en el sitio web de la empresa. La toma de temperaturas fue controlada y tomada desde los manómetros y la caldera con la cual se contó para la investigación, tiene las siguientes características:

·        Marca: Viessmann.

·        Tipo: Pirotubular.

·        Presión de diseño: 10 bar.

·        Presión de trabajo: 8 bar.

·        Producción máxima de vapor (m^°): 2000 Kg/h.

·        Temperatura de vapor (T_V): saturado a 170º C.

·        Temperatura de agua de alimentación (T_l): 25º C.

·        Rendimiento: 85%.

·        Tipo de combustible: Fuel oil pesado.

·        Hora de funcionamiento: 16 horas → 5500 h/año.

 

“El método aplicado en la investigación consiste en la aplicación de la experiencia directa en la obtención de pruebas para verificar un razonamiento, a través de mecanismos verificables como la observación de fenómenos” (Cervera, 1998) pp. 30-31, en este caso la observación del cambio ante la variable del aumento de la temperatura. “A partir del método de análisis, el cual consiste en la extracción de las partes de un todo o por separado como es el caso” (Blogspot, 2010), de la variación de temperatura y determinar los valores de optimización energética de   la caldera.

“El experimento es el método de estudio de un objeto” (Radrigan, 2020) como la caldera, en el cual crea la condición necesaria (el cambio de temperatura en el agua de alimentación), para el esclarecimiento de las propiedades y relaciones del objeto, que son de utilidad en la investigación. “En este método se aísla el objeto y las propiedades que se estudian, de la influencia de otros factores no esenciales para la investigación que puedan interferir con las variables”, (Cervera, 1998, p.30-31) “Se modifica las condiciones bajo las cuales tiene lugar el proceso o fenómeno de forma planificada. El objetivo del experimento es detectar en el objeto una determinada propiedad con la variable aplicada para verificar una hipótesis”. (Custodio, 2008).

La observación indirecta, no participante, en equipo y de laboratorio, es la técnica aplicada en la investigación, fundamental durante todo el proceso, para obtener el mayor número de datos, junto con la observación se realizó una ficha técnica para plasmar los parámetros de la caldera iniciales y finales, antes y después del incremento de temperatura. (Blogspot, 2010). En la (figura 1) se indica un proceso corto que se llevó a cabo para la realización del análisis, en primer lugar, se tomaron los parámetros que inicialmente tenía la caldera, al tener estos datos se realizó el cambio de temperatura del agua de alimentación, de acuerdo con los resultados obtenidos previamente en los cálculos, después de este cambio se procedió a la toma de los nuevos parámetros que arrojó la caldera con el cambio de temperatura, y así se obtuvieron los resultados con la variación de temperatura del agua.

Figura 1.- Proceso para la optimización energética, con variaciones de temperatura del agua de alimentación en una caldera

 

Análisis y discusión de los resultados

La caldera alimentada desde una cisterna de concreto de 6 metros cúbicos, no se encuentra calorifugada y presenta filtraciones por sus paredes, el agua ingresa a la caldera a una temperatura media de 25ºC, la cual no es la adecuada, puesto que entre más lejos se encuentre el agua de su punto de ebullición, mayor es la energía necesitada para generar vapor, lo que implica un mayor consumo de combustible y en consecuencia elevado costos. Lo mejor es que la temperatura sea 90ºC ± 5°C, sin exceder la temperatura permitida por la bomba de alimentación.

 

 

Donde:

T_f: Temperatura del agua de alimentación para la caldera.

m_1: Cantidad de condesado.

T_1: Temperatura con la que llega el condesado.

m_2: Cantidad de agua de compensación.

 C_e: Calor especifico del agua.

T_2: Temperatura del agua de compensación.

Q_rev: Calor que aporta el revaporizado al agua de alimentación.

m_3: Masa total de agua (〖m_1+m〗_2).

Como se demuestra en la ecuación (1) se calculó que el agua de alimentación se encontrara a 84.4ºC al momento de ingresar a la caldera, tomando en consideración que esta temperatura puede llegar hasta los 90ºC sin afectar la bomba de alimentación, a partir de allí podemos causar otros problemas. De acuerdo a los datos obtenidos por cálculos, el calor necesario o potencia calorífica útil es Q_u=1491,73 KJ⁄s, tal como se indica en la ecuación (2), en donde la entalpía del agua de alimentación fue tomada a 25º C y la entalpía del vapor a 170º C. Partiendo del dato expuesto la potencia calorífica útil, con la temperatura de 84,4°C, fue de Q_um=1352,55 KJ⁄s, como se indica en la ecuación (3). Para disminuir la potencia necesaria útil, solo se necesita aumentar la temperatura del agua de alimentación, la cual se consigue recuperando el condesando y revaporizado.

Acorde a los parámetros de la caldera y la resolución de las ecuaciones, con una temperatura de 25° C el calor necesario o potencia calorífica útil es:

 

                                                     (2)

 

Donde:

Q_u: Potencia calorífica útil.

m_v°: Caudal másico del vapor.

h_v: entalpía del vapor a 170º C.

h_l: entalpía del agua de alimentación a 25º C.

El calor necesario o potencia calorífica útil de la mejora, calculada con 84,4°C se la obtiene con la ecuación (3):

 

 

                                                  (3)

Donde:

Q_um: Potencia calorífica útil mejorada.

m_v°: Caudal másico del vapor.

h_v: entalpía del vapor a 170º C.

h_l: entalpía del agua de alimentación a 84, 4º C.

Los datos de consumos de combustibles se realizaron en base a información técnica proporcionada, de tal manera que para calcular el consumo de combustible por hora y anual se necesita el caudal másico del combustible. La cuál obtenemos de la ecuación (4), rendimiento de la caldera, la cual se obtuvo de las características técnicas de la caldera por lo tanto tenemos que

 

Donde:

n_n: Rendimiento de la caldera según características de la misma.

m_v°: Caudal másico del vapor.

h_v: entalpía del vapor a 170º C.

h_l: entalpía del agua de alimentación a 25º C.

m_c°: Caudal másico del combustible.

PCI: Poder calorífico inferior.

Una vez hallados todos los parámetros necesarios se procede a calcular el consumo de combustible y los gastos que este genera, para lo cual se sabe que el coste de combustible es 0,45 €/kg. Entonces se obtiene lo siguiente:

Consumo de combustible por hora: 148,66 Kg⁄h.

Coste de combustible por hora 148,66 Kg⁄h x  0,45 €⁄Kg=66,90  €⁄h.

Consumo anual de combustible 148,66 Kg⁄h  x 5500  h⁄Año=817630 Kg⁄Año.

Coste anual de combustible: 817630 Kg⁄Año  x 0,45 €⁄Kg= 367933.5 €⁄Año.

La diminución del calor necesario con la mejora ahorra recursos y uno de esos recursos es el combustible, a partir del nuevo calor el resultado del caudal másico es m_cm°=0,038 Kg⁄s  ≅   137,11 Kg⁄h obtenido de la ecuación (5).

 

 

Donde:

m_cm°: Caudal másico del combustible con mejora.

n_n: Rendimiento de la caldera dada en las características de la caldera.

Q_um: Potencia calorífica útil con mejora.

PCI: Poder calorífico inferior.

Por lo tanto, manteniendo el mismo precio del combustible usado anteriormente de 0,45 €⁄Kg, los nuevos consumos y costo de combustibles son:

Consumo de combustible por hora: 137,11 Kg⁄h.

Coste de combustible por hora: 137,11 Kg⁄h x  0,45 €⁄Kg=61,70  €⁄h

Consumo anual de combustible: 137,11 Kg⁄h  x 5500  h⁄Año=754105 Kg⁄Año  

Coste anual de combustible: 754105 Kg⁄Año  x 0,45 €⁄Kg= 339347,25 €⁄Año  

En la tabla 1 sobre temperatura del agua de alimentación, se puede observar la diferencia que se obtuvo entre los valores de Potencia calorífica útil, Caudal másico del combustible y el costo del consumo de combustible.

 

 

 

Tabla 1.- Resultados obtenidos con la variación de temperatura

	Temperatura del agua de alimentación
Potencia Calorífica útil
Caudal másico del combustible
Coste del consumo de combustible

 

Fuente: Registro del procedimiento del experimento. Elaboración: propia

 

Conclusiones

La variación que se realizó en la temperatura, del agua de alimentación de la caldera fue de 59,4℃, logrando optimizar la energía que consume la caldera. Se demostró que al aumentar la temperatura del agua, se logra una reducción de 139,18 KJ⁄s  de potencia útil, lo que significó menor consumo de agua, esto implica un ahorro económico. En el caudal másico del combustible con la variación de temperatura que se realizó en la caldera, presentó una disminución de 11.55Kg⁄h, lo cual representa un ahorro económico para la empresa de 28586,25  €⁄Año.

 

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