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Optimización de sistemas de vapor industrial

Curso de capacitación de expertos

Diseñado por: Riyaz Papar (P.E.,CEM)

Hudson Technologies Company, EE. UU. Greg Harrell (Ph.D., P. E.)

Energy Management Services, EE. UU. Ven V. Venkatesan (P.E.,CEM)

Hudson Technologies Company, EE. UU.

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Agradecimientos Equipo de la ONUDI - Viena, Austria Equipo de la ONUDI - Sudáfrica Departamento de Energía - Estados Unidos. Oak Ridge National Laboratory - Estados Unidos

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Riyaz Papar (P.E., CEM) Estudios

• Maestría en ciencias (Ingeniería mecánica), Universidad de Maryland, College Park • Título de grado en tecnología (Ingeniería mecánica), Instituto de Tecnología de la India,

Mumbai

Experiencia profesional • Director - Energy & Carbon Services, Hudson Technologies

• Vigilancia del rendimiento y optimización de sistemas de energía • Consultor de energía

• Sistemas de vapor industrial, refrigeración, sistemas de enfriamiento y de procesos, recuperación de calor residual

• Productos químicos, refinerías de petróleo, alimentos, pulpa y papel - Sector de fabricación

• Gerente de desarrollo, Enron Energy Services • Dirección de desarrollo de proyectos para clientes industriales

• Investigador asociado principal, Lawrence Berkeley National Laboratory • Desarrollo de herramientas y recursos, apoyo técnico al programa BestPractices del

Departamento de energía de los Estados Unidos • Ingeniero de proyectos senior, Energy Concepts Company

• Sistemas industriales de refrigeración de amoníaco-agua residual con funcionamiento a calor

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Riyaz Papar (P.E., CEM) Otros títulos y participaciones

• Ingeniero profesional, Estado de Maryland, EE. UU. • Gerente de energía certificado • Jefe de instructores y asesor técnico del Departamento de energía de los Estados

Unidos • Experto en energía del vapor de Departamento de energía de los Estados Unidos • Experto en de la ONUDI - Vapor, refrigeración y enfriadores, y recuperación de calor

residual • Experto en energía de la IFC para el Equipo de producción más limpia • Presidente, División de las industrias de procesos de la ASME, 2003-04 • Presidente, Comité técnico 8.2 de la ASHRAE : Centrifugal Machines, 2009-10 • Presidente, Comité técnico 1.10 de la ASHRAE : Cogeneration Systems, 2010-11

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Greg Harrell (Ph.D., P.E.) Estudios

• Doctorado en Ingeniería mecánica - Termodinámica, Virginia Tech (VPI&SU) - 1997

Experiencia profesional • 1987 a 1993 - Ingeniero de diseño, ingeniero de procesos de suministro, BASF Corp.

• Supervisión de la ingeniería y de las actividades técnicas de todo el departamento de suministros (producción de vapor, generación de energía eléctrica, sistemas de aire comprimido, instalaciones de refrigeración industrial, sistemas industriales de calefacción, ventilación y aire acondicionado, y planta de tratamiento de aguas residuales.)

• Virginia Tech - Profesor de ingeniería mecánica, Energy Management Institute (EMI) • De 1997 a 2001, director de asistencia técnica del EMI

• Profesor universitario y de posgrado de termodinámica

• Participación directa en aspectos importantes de gestión de energía para industrias en todo el mundo

• Realización de varios estudios energéticos para clientes industriales en todo el mundo - en seis continentes, veintidós países y en 36 estados de los Estados Unidos

• Profesor de los cursos de capacitación para usuarios finales de vapor y para especialistas en vapor del Departamento de Energía de los Estados Unidos

• Importante participación en el desarrollo de las herramientas de vapor del Departamento de Energía de los Estados Unidos y autor de la Steam System Survey Guide, que se ha convertido en un libro de texto universitario para los cursos de ingeniería mecánica

• Instructor certificado del Compressed Air Challenge del Departamento de Energía de los Estados Unidos

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Greg Harrell (Ph.D., P.E) Experiencia profesional

• En la actualidad - Consultor para servicios de gestión de la energía • Funciones principales: análisis de la energía de los sistemas industriales y análisis de los

procesos individuales, cursos de capacitación industrial, docencia universitaria, modelado de sistemas de energía y desarrollo de programas informáticos

• Profesor de la carrera de gestión de la energía de la Universidad estatal de Carolina del Norte

• Áreas prioritarias de los sistemas principales - calderas, sistemas de vapor, cogeneración de energía térmica y eléctrica, turbinas de gas, sistemas de aire comprimido

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Ven V. Venkatesan (PE, CEM) Estudios

• Maestría en técnica (Ingeniería química), Universidad de Madrás, India • Título de grado (Ingeniería química), Universidad de Madrás, India • Diploma de energía industrial (Ingeniería industrial), Indian Institution of Industrial Engineering,

Mumbai

Experiencia profesional • Gerente general, VGA Engineering Consultants Inc.

• Reducción de costos energéticos en industrias de procesos y mejora de la fiabilidad de los sistemas de vapor

• Director- Servicios de ingeniería, Armstrong Service Inc. (1996 – 2006) • Servicios de ingeniería para las operaciones nacionales e internacionales

• Ingeniero de procesos senior, refinería ISLA (Curazao). (1991 – 1996) • Secretaría del Energy & Loss Steering Committee y experto en combustión

• Consultor en ingeniería senior, M K Raju Consultants (P) Ltd. (1986 – 1991) • Identificación de las oportunidades de ahorros de costos energéticos en industrias de procesos de

todos los tipos principales • Gerente asistente, (energía y economía), Bokaro Steel Plant Steel Authority of India Limited (1978 –

1986) • Áreas de eficiencia de los combustibles, control del gas combustible, plantas de depuración de gases,

estaciones de mezcla y de impulso de gases, gasómetros y quema de los gases sobrantes

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Ven V. Venkatesan (PE, CEM) Otros títulos y participaciones

• Ingeniero profesional habilitado en los estados de Florida y Wyoming • Gerente de energía certificado • Ingeniero en edificios ecológicos • Experto en energía para calentamiento de procesos y vapor del Departamento de

energía de los Estados Unidos • Experto en sistemas de calentamiento de procesos del Departamento de energía de los

Estados Unidos

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Información de contacto Riyaz Papar, P.E., CEM Director, Energy & Carbon Services

Hudson Technologies Company

EE.UU.

Teléfono: (281) 298-0975

E-mail: rpapar@hudsontech.com

Ven V. Venkatesan, P.E., CEM

Engineering Manager

Hudson Technologies Company

EE.UU.

Teléfono: (407) 399-9316

E-mail: vvenkatesan@hudsontech.com

Greg Harrell, Ph.D., P.E. EMSCAS

EE.UU.

Teléfono: (865) 719-0173

E-mail: gregharrell@emscas.com

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Objetivos de la capacitación Capacitar a los usuarios finales y a los ingenieros consultores para

que puedan realizar la evaluación y la optimización de los sistemas de vapor.

Ayudar a la industria a evaluar los sistemas de vapor a fin de obtener ahorros de energía y de costos

• Operación y controles correctos

• Mantenimiento de los sistemas

• Uso correcto de los procesos de vapor

• Cogeneración y

• Aplicación de tecnologías de última generación

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Resumen general Realizar evaluaciones de campo e identificar proyectos como

demostración de los ahorros de energía y de costos que se pueden lograr mediante un enfoque de los sistemas

Presentar y demostrar el funcionamiento de las herramientas informáticas de evaluación de la optimización de sistemas de vapor del Departamento de energía de los Estados Unidos a disposición del público en general

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Resumen general La capacitación de expertos de cinco días de duración comienza

definiendo el enfoque de los sistemas y cómo se lo aplica para optimizar un sistema de vapor industrial y/o institucional

La capacitación abarca el funcionamiento de los sistemas d vapor industrial típicos, es decir:

• la generación

• la distribución

• usos finales y

• recuperación de condensado

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Resumen general La capacitación identifica las oportunidades de mejora del

rendimiento que llevan a la optimización del sistema en su conjunto

En el taller se examina los métodos para mejorar la eficiencia de los sistemas, las metodologías para cuantificar los ahorros de energía y de costos de dichas mejoras, y distintos aspectos de la implementación de los programas de mejoras continuas

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Resumen general Demostración, funcionamiento práctico y uso del programa Steam

BestPractices del Departamento de Energía de los Estados Unidos El programa incluye:

• Steam System Scoping Tool (SSST) • Steam System Assessment Tool (SSAT)

• Software de evaluación del aislamiento 3E-Plus

Las herramientas informáticas se pueden descargar gratuitamente de los sitios web correspondientes

Ejemplos de campo y aplicaciones del uso de estas herramientas informáticas de evaluación de la energía de los sistemas de vapor industrial

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Cronograma del curso Día 1 – Curso de usuario de vapor de dos días

Día 2 – Curso de usuario de vapor de dos días

Día 3 - Curso de expertos y actividades de preevaluación

Día 4 - Evaluación del sistema de vapor

Día 5 - Evaluación del sistema de vapor

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Esquema del curso de capacitación Día uno

Preparación de una computadora portátil para cada participantes. Herramientas informáticas y archivos de programas

Presentación del proyectos de eficiencia energética industrial de la ONUDI

Introducción al "enfoque de los sistemas"

Revisión de los principios de los sistemas de vapor - termodinámica

Revisión del Steam System Scoping Tool (SSST) del Departamento de Energía de los Estados Unidos

Ejercicio - Evaluación de un sistema de vapor de una planta industrial usando el SSST. Identificación de las áreas de ahorros energéticos

Pausa

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Esquema del curso de capacitación Día uno

Revisión del Steam System Assessment Tool (SSAT) del Departamento de Energía de los Estados Unidos

Costos de los suministros

• energía eléctrica

• combustible

• agua

Identificación de la caldera de mayor impacto - ejemplo perteneciente a una planta industrial

Indicador del costo del vapor

Sección Quick Start del SSAT

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Esquema del curso de capacitación Día uno

Cálculo de la eficiencia de una caldera mediante mediciones de campo

Pérdidas de la caldera

• pérdidas de la carcasa

• pérdidas de la purga

• pérdidas de la chimenea

Sección "Site Detail" del SSAT

Desarrollo de un modelo de un sistema de vapor de un cabezal con el SSAT

Comprensión del costo marginal del vapor

Pausa del almuerzo

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Esquema del curso de capacitación Día uno

Purga y vapor evaporado súbitamente

Condiciones de generación de vapor

Válvulas de descarga / de alivio de presión

Desgasificador

Componentes de la recuperación de calor

Recuperación de condensado

Pérdidas de la distribución

Discusión /comparación del costo marginal del vapor

Pausa

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Esquema del curso de capacitación Día uno

Nociones fundamentales relativas a las turbinas

Turbinas de contrapresión

Modelado de turbinas de contrapresión en el SSAT

Ejercicios prácticos

Turbinas de condensación

Fin de la sesión

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Revisión de los temas del primer día

Preguntas y respuestas sobre los temas del primer día

Optimización de sistemas de vapor - área de generación

• mejora de la eficiencia de las calderas

• gestión de la purga

• rtcuperación de la energía de la purga

• economizadores de agua de alimentación / precalentadores del aire de combustión

• control del aire en exceso

• cambio de combustible

Ejercicios prácticos

Pausa

Esquema del curso de capacitación Día dos

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Esquema del curso de capacitación Día dos

Optimización de sistemas de vapor - área de distribución

• fugas de vapor

• pérdidas de la transferencia de calor por el aislamiento

Ejercicio - Complete los ejemplos de las fugas de vapor y de pérdidas de calor por el aislamiento usando la herramienta informática SSAT

Software de evaluación del aislamiento 3E Plus

Optimización de sistemas de vapor - área de los usos finales

• impacto de las condiciones de generación de vapor

• demanda de vapor (usos finales)

Proyectos de ahorros de la demanda de vapor del SSAT

Pausa del almuerzo

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Esquema del curso de capacitación Día dos

Optimización de sistemas de vapor - área de la recuperación de condensado

• programa de gestión de las trampas de vapor

• evaluación de los sistemas de recuperación de condensado

• tanques de evaporación súbita de condensado

• venteo de tanques de condensado

Ejercicio - Complete los ejemplos de recuperación de condensado y de recuperación de vapor evaporado súbitamente condensado usando la herramienta informática SSAT

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Esquema del curso de capacitación Día dos

Optimización de sistemas de vapor - Área de cogeneración de energía térmica y eléctrica

• turbina de contrapresión - Válvulas de alivio de presión: Operaciones

• consideraciones económicas de los proyectos de turbinas del SSAT

• impacto de las turbinas de condensación

• proyectos de turbinas de condensación del SSAT

Pausa

Conclusiones

Herramientas y recursos

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Esquema del curso de capacitación Día 3

Preguntas y respuestas de los días 1 y 2 Revisión de los materiales y conceptos "clave" Ejercicio - Realizar una evaluación de un sistema de vapor industrial usando

las herramientas de BestPractices y elaborar un informe final para que la dirección de la planta pueda implementar las oportunidades de mejora en su sistema de vapor

• Contarán con una descripción completa del sistema de vapor industrial • Los participantes trabajarán individualmente y los instructores

desempeñarán el papel de los ingenieros de suministros y de procesos de la planta

• Se espera que los participantes utilicen los conceptos fundamentales y que realicen los cálculos manuales necesarios con los datos observados en el campo

• También tendrán que usar las herramientas informáticas SSAT y 3EPlus para cuantificar las oportunidades de ahorros de energía del vapor de la planta

Pausa

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Esquema del curso de capacitación Día 3

Norma de evaluación energética.- Norma ASME de vapor

Presentación de una selección de casos de estudio de OSV en la industria

Información de la planta ANFITRIONA - Los participantes recibirán toda la información necesaria relativa a la planta que deben evaluar

Discusión de los proyectos de la planta ANFITRIONA - Posibles proyectos a realizar

Pausa del almuerzo

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Esquema del curso de capacitación Día 3

Información sobre los instrumentos de medición

Demostración de los instrumentos - Se hará una demostración de todos los instrumentos que se usarán en la evaluación

Pausa

Conclusiones

Información adicional sobre los recursos de la optimización de los sistemas de vapor

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Esquema del curso de capacitación Días 4 y 5

Evaluación de OSV de la planta ANFITRIONA

• Visita de los expertos internacionales y nacionales a la planta

• Los expertos nacionales participantes se dividen en equipos y reciben los instrumentos portátiles que tendrán que usar en la evaluación del sistema de vapor

• Los expertos internacionales trabajan en conjunto con los expertos nacionales y los ayudan a identificar las áreas con oportunidades de mejora

• Se realiza un proceso de debida diligencia con recopilación de datos en el sitio

• Los expertos nacionales tienen la oportunidad de poner en práctica lo aprendido, evaluando un sistema de vapor

• Generación de informes

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Esquema del curso de capacitación Etapa posterior a la evaluación

En los próximos 4 meses • Planta Candidata

• Cada uno de los expertos nacionales trabaja con la planta que le fue asignada para realizar una evaluación de la energía para optimizar el sistema de vapor de la planta

• Trabaja junto con un experto internacional que lo ayudará a revisar las evaluaciones, observaciones, modelos y resultados

• Elabora el informa final y lo presenta a la planta • Webinarios / conferencias telefónicas

• Los expertos nacionales reciben apoyo técnico y orientación de parte de los expertos internacionales

• Revisión continua del nivel de comprensión de la OSV de los expertos participantes del curso

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Esquema del curso de capacitación Etapa posterior a la evaluación

En los próximos 4 meses

• Revisión de medio día

• Capacitación presencial de revisión de los fundamentos de la OSV

• Funcionalidad y uso de las herramientas del sistema de vapor

• Preguntas y respuestas

• Discusión de las experiencias adquiridas en las plantas candidatas

• Examen final

• Los expertos nacionales participantes del curso rendirán un examen final de cuatro horas de duración para obtener el título de EXPERTO NACIONAL EN OSV

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Objetivos personales Presentación de los participantes

Principales cuestiones o problemas relativas al material del curso, horarios, etc.

Identificación de las áreas que pueden llegar a requerir más atención según los intereses de los participantes

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Visión general

Uso de la energía en general

Uso de la energía del vapor

Enfoque de los sistemas

Optimización de sistemas de vapor (OSV)

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Energía industrial = la mitad de la energía mundial

Resto del mundo, 30 % (70 quads)

Estados Unidos, 15 % (34 quads)

Fuente: EIA/International Energy Outlook 2007

Industria: 223 quads

OECD Europa, 15 % (34 quads)

China, 20 % (44 quads)

Rusia, 9 % (21 quads)

Japón, 5 % (11 quads)

Comercial 12%

Transporte 20%

Residencial 18 %

Consumo de energía mundial en 2004: 447 quads La industria representa el 50 % del consumo mundial

de energía

Industrial 50 % (223 quads)

India, 5 % (10 quads)

1 quad Btu = 1,055 EJ

Fuente: Oak Ridge National Laboratory, EE. UU.

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PROYECCIÓN DE LA MATRIZ ENERGÉTICA (Electricidad)

Fuente: Ministerio de Electricidad y Energía Renovable

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Consumo de energía de una planta industrial típica

Nota: No incluye las pérdidas fuera de sitio

Calentamiento de procesos

38 %

Vapor 35 %

Otros 4% Electro-químicas

2 %

Enfriado de procesos

1 %

Sistemas de

motores 12 %

Instalaciones 8 %

Fuente: DOE/EIA Monthly Energy Review 2004 (preliminar)

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Usuarios intensivos de vapor

• Petroquímicas

• Refinerías de petróleo

• Productos forestales (pulpa y papel)

• Alimentación y bebidas

• Plásticos

• Goma

• Textiles

• Farmacéuticas

• Montaje de fabricación

Usuarios de vapor

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Usuarios medianos de vapor • Calefacción de grandes comercios • Cerveceras • Lavanderías • Panaderías • Cocción • Fabricación de metales • Grandes sistemas de enfriamiento

Pequeños usuarios de vapor: • Electrónica • Cabinas de pintura • Sistemas de humidificación

Usuarios de vapor

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¿Por qué utilizar vapor? Extremadamente eficientes como fuente de calor - temperatura

constante, los mayores coeficientes de transferencia de calor (condensación)

Su distribución hasta los puntos de uso es extremadamente eficaz en función del costo

Se puede controlar con precisión

Un medio de transferencia de energía muy flexible - se puede usar para calentamiento de procesos y para generación de energía eléctrica

La tecnología y las aplicaciones han sido probadas y comprobadas a gran y pequeña escala

Los beneficios para el sistema son significativos

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Clave para un funcionamiento y un mantenimiento del sistema de suministros de la planta económicamente eficaz

Prestar atención al sistema como un todo, y no a cada una de las partes del equipo

Analizar los aspectos de la alimentación y la demanda de los sistemas y cómo interactúan

Para poder analizar la mayoría de los sistemas industriales se necesita el enfoque de los sistemas

Así se obtendrán ahorros de energía y de costos mucho mayores que si se hiciera un "análisis a nivel de los componentes"

Enfoque de los sistemas

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Eficiencia del del motor de 15

kW = 91 %

Eficiencia combinada del motor y la bomba =

59 %

Eficiencia del sistema = 13 %

Enfoque de los sistemas

Fuente: US DOE ITP BestPractices Program; Courtesy: Don Casada, Diagnostic Solutions, EE. UU.

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Establecer las condiciones actuales del sistema, los parámetros de funcionamiento, y el consumo de energía del sistema

Investigar cómo está funcionando del sistema total actual

Identificar las áreas potenciales en las que se podría mejorar el funcionamiento del sistema

Analizar el impacto de las mejoras potenciales en el sistema de la planta

Implementar las mejoras del sistema que responden a los criterios de funcionamiento y financieros de la planta

Seguir vigilando el rendimiento del sistema en su conjunto

Enfoque de los sistemas

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Sistema genérico de vapor

Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program Generación

Distribución

Usos Finales

Recuperación

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Se debe respetar el enfoque de los SISTEMAS

Se centra en cómo se gestiona la energía del sistema de vapor de la planta

Las demandas de vapor industrial cambian a lo largo del tiempo y el funcionamiento de los sistemas de vapor tiene que optimizarse continuamente

Se deben respetar las mejores prácticas en las etapas de diseño, adquisiciones, operación y mantenimiento

La comprensión de los principios fundamentales y de las herramientas y los recursos disponibles es esencial para un programa OSV

Optimización del sistema de vapor industrial

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Save Energy Now - Evaluación de todas las plantas (2006-2010)

Total de plantas evaluadas: casi 2.445 Ahorros de costos identificados: $1.400 millones (informes de 2.349) Ahorros de costos identificados: 200 petajoules (fuente) Ahorros CO2 identificados: 11,9 millones de toneladas métricas

http://www1.eere.energy.gov/industry/saveenergynow/assessments.html

• Aproximadamente un tercio de los ahorros de costos ya fueron implementados

• Otro tercio está en proceso de implementación o planeado

Fuente: Oak Ridge National Laboratory, EE. UU.

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Ahorros identificados por planta (EE. UU.) - Resumen

Tipo de sistema (Nº de SENA)

Ahorros de energía en la fuente

recomendados promedio (GJ/planta

por año)

Porcentaje de ahorros de

energía en la fuente promedio

(%)

Ahorros de costos recomendados

promedio ($/planta por año)

Ahorros de gas natural

recomendados promedio (GJ/planta

por año)

Ahorros de CO2 recomendados

promedio (Toneladas /planta

por año)

Aire comprimido

(127) 30.800 2,2 $ 177.000 440 1.700

Ventiladores (40) 206.900 3,1 $ 1.151.000 38.400 9.000

Calentamiento de procesos

(213) 246.300 11,2 $ 1.582.000 187.400 13.300

Bombas (80) 42.400 1,2 $ 219.000 1.250 2.400

Vapor (313) 270.100 7,0 $ 2.075.000 220.000 18.000

Papel multisistema

(20) 420.200 4,7 $ 2.782.000 217.900 21.000

Fuente: Oak Ridge National Laboratory, EE. UU.

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Nociones fundamentales de los sistemas de vapor

Componentes de los sistemas de vapor

Termodinámica - Propiedades del vapor

Conservación de la masa

Conservación de la energía

Combustibles

Oportunidades de optimización de sistemas de vapor

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Componentes de los sistemas de vapor

Generación

• caldera

• auxiliares de las calderas

• equipos de tratamiento de agua

• desgasificador

• bombas de agua de alimentación

• equipo de almacenamiento y manipulación de combustible

Distribución

• tuberías de vapor

• estaciones de alivio de presión

Usos finales

• turbinas de vapor

• intercambiadores de calor

• Iiyección de vapor directo

• columnas de separación

• evaporadores, etc.

Recuperación

• trampas de vapor

• recuperación de condensado y retorno al sistema

• bombas de condensado

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Caldera de tubos de humo

Zona de combustión

Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program

Presión de vapor limitada • En general, 20 bares como

máximo Tasa de flujo de vapor limitada

• En general, 1.200 BHp como máximo

• 20 t/h Salida de vapor saturado Una ventaja de eficiencia propia

sobre las caldera de tubos de agua: las pérdidas de la carcasa son mínimas

En general, se fabrican fuera del sitio

Muchos estilos diferentes

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Caldera de tubos de humo

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Calderas de tubos de agua Las presiones operativas van

desde la atmosférica hasta más de 250 bares

La producción de vapor varía entre 2 y 5.000 Tph

Salida de vapor saturado o sobrecalentado

Fabricadas dentro o fuera del sitio

Muchos estilos diferentes

¡Ahora se pueden conseguir unidades compactas!

Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program

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Caldera de tubos de agua

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Calderas y auxiliares de las calderas Dos tipos principales de calderas

• de tubos de humo • de tubos de agua

Ventiladores - configuración del flujo de aire • de tiro forzado • de tiro Inducido • de tiro balanceado

Precalentadores del aire de combustión Economizadores de agua de alimentación / economizadores de

condensación Válvulas de flujo de combustible y controles de combustión Controles del aire en exceso Sensores Sopladores de hollín - vapor o aire comprimido Equipo de control de la contaminación

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Equipo de almacenamiento y manipulación de combustible

Principalmente para los combustibles sólidos y líquidos

• principal

• de reserva / en modo de espera

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Elimina el oxígeno disuelto en el agua de reposición y en el condensado

Buen estado de la caldera

Muchos estilos diferentes

• Tipo spray

• Tipo bandeja

Se pueden combinar con el calentador y el almacenamiento del agua de alimentación

¡Siempre tienen un venteo de vapor!

Ingreso del agua de reposición

Entrada de vapor

Venteo del desgasificador

Agua de alimentación

Desgasificador

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De agua de alimentación de la caldera (BFW)

Condensado

Agua de reposición

De otros servicios auxiliares

Bombas

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La química del agua de la caldera es muy importante

Buen estado de la caldera

Depende de la presión y de la calidad del agua de la caldera

Varias opciones

• ablandamiento

• desalcalinización

• desmineralización

• ósmosis inversa

• purificación del condensado

• tratamiento químico

Equipos de tratamiento de agua

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Transportan el vapor hasta los usos finales

Bastidores de tuberías

Cabezales de presión

Válvulas de aislamiento

válvulas de seguridad

Puntos de drenaje, etc.

Tuberías de vapor

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También conocidas como válvulas de descarga

Permiten controlar el flujo de vapor

Permiten balancear los cabezales de presión

Funcionan en un bucle de realimentación

En todos los casos necesitan una derivación para las emergencias y las reparaciones

Estaciones de alivio de presión

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Dispositivos que transforman energía térmica en potencia del eje

Pueden generar energía eléctrica a través de un generador

Pueden impulsar equipo equipo mecánico - ventiladores, bombas, compresores, enfriadores, etcétera

Diferentes tipos

• de contrapresión

• de extracción

• de condensación

• combinaciones de los anteriores

Turbinas de vapor

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Intercambiadores de calor Diferentes tipos

• de carcasa y de tubos

• de placa / de armazón

• de tubo en tubo

• de espiral, etcétera

Se basan en las aplicaciones

El vapor transfiere la energía térmica al fluido del proceso y forma condensado

Normas industriales para los diseños y las aplicaciones

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Otros equipos de uso final

Calentador del agua de alimentación

Secadoras

Calentador de agua caliente

Tanques de cocción

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Otros equipos de uso final

Evaporadoras

Torres de destilación

• Columnas de separación

Reformadores

Separadores

Eyectores de vapor

Inyectores de vapor

Termocompresores

Recalentadores

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Evita que el vapor se escape sin transferir el calor

Diferentes tipos de trampas

• termostática

• mecánica

• termodinámica

• de orificio

Aplicación - muy importante

Gestión de las trampas de vapor

Trampas de vapor

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Recuperación del vapor evaporado súbitamente proveniente del condensado

Eliminación de problemas potenciales del retorno de condensado

• golpes de ariete

• contrapresión

• flujo de dos fases

El tanque de evaporación súbita de la purga reduce la temperatura del agua antes de descargarla en el desagüe

Tanques de evaporación súbita

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Primario/secundario

Con bombeo / a presión

Con bombeo / eléctrico o a vapor

El condensado regresa a la sala de calderas con la mayor energía térmica posible

Sistemas de recuperación de condensado

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Sirven como depósito común

Normalmente, están situados en la parte superior para satisfacer los requisitos de succión de la bomba

Se pueden combinar con un desgasificador, con el calentador y el almacenamiento de agua de alimentación

Tanques de condensado

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Combustible

Agua de alimentación

Agua de reposición

Combustible

Caldera Intercambiador de calor

Trampa de vapor

Tanque de condensado

Desgasificador Bomba de condensado

Bomba del agua de alimentación

Sistema de tratamiento de agua

Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program

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Combustible

Agua de alimentación

Vapor a alta presión

Vapor a baja presión

Agua de reposición

Combustible Combustible Combustible

Presión de alivio Válvula

Tanque de evaporación súbita

Generador de la turbina de contrapresión Accionamiento

de la turbina de contrapresión

Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program

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Combustible

Agua de alimentación

Vapor a alta presión

Vapor a baja presión

Agua de reposición

Combustible Combustible Combustible

Vapor a media presión

Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program

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Combustible

Agua de alimentación

Agua de reposición

Combustible Combustible Combustible

Generador de la turbina de condensación

Condensador de superficie

Fuente: US DOE ITP Steam BestPractices Program

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¿Qué es el VAPOR? • Vapor de agua saturado o

sobrecalentado

Cuando el agua se calienta a su punto de ebullición o por arriba del mismo, produce VAPOR

Agua líquida

Vapor gaseoso

Vapor

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Termodinámica del vapor Estados termodinámicos de una sustancia pura

• Subenfriado • líquido • la temperatura y la presión son independientes • contenido de energía ∝ Temperatura

• Saturado • líquido / dos fases / vapor • la temperatura y la presión dependen una de la

otra • 0 ≤ Calidad ≤ 1

• Sobrecalentado • estado gaseoso (vapor) • la temperatura y la presión son independientes • contenido de energía ∝ temperatura y presión

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Propiedades termodinámicas del vapor • P - presión (bares, atmósferas, kPa, MPa)

• T - Temperatura (°C)

• Temperatura absoluta (K)

• X - Calidad

• ρ - Densidad (kg/m3)

• V - Volumen (m3/kg)

• H - Entalpía (kJ, kcal)

• h - Entalpía específica (kJ/kg, kcal/kg)

• S - Entropía (kJ/K, kcal/K)

• s - Entropía específica (kJ/kg-K, kcal/kg-K)

Termodinámica del vapor

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Propiedades termodinámicas del vapor • Cp - calor específico a presión constante (kJ/kg-K, kcal/kg-K)

• Cv – calor específico a volumen constante (kJ/kg-K, kcal/kg-K)

• Vs - Velocidad del sonido (m/s)

• µ - Viscosidad (Pa.s)

• K – Conductividad térmica (W/m-K)

Termodinámica del vapor

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Termodinámica del vapor Relación entre la presión y la temperatura

• Cuando la presión ↑ - la temperatura ↑

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Diagrama H-S (Diagrama de Mollier) Termodinámica del vapor

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Termodinámica del vapor Tablas de vapor

p del vapor

(bares)

t del vapor (C)

Pf

(kg/m3) Vf

(m3/kg) Hf

(kJ/kg) Hfg

(kJ/kg) Hg

(kJ/kg) Sg

(kJ/kgK) Sfg

(kJ/kgK) Sg

(kJ/kgK)

0,5 81,31 971 3,244 340,4 2.305 2.676 1,091 6,502 7,593

1,0 100 958,4 1,672 419,2 2.257 2.676 1,307 6,047 7,354

10,0 179,9 887,2 0,1945 762,8 2.015 2.778 2,139 4,447 6,586

20,0 212,4 849,9 0,09962 908,6 1.890 2.799 2,447 3,893 6,34

30,0 233,9 822 0,06667 1.008 1.795 2.803 2,645 3,54 6,186

40,0 250,4 798,5 0,04978 1.087 1.713 2.801 2,796 3,273 6,069

50,0 264 777,5 0,03944 1.154 1.640 2.794 2,92 3,053 5,973

60,0 275,6 758,2 0,03244 1.213 1.571 2.784 3,027 2,862 5,889

70,0 285,9 739,9 0,02737 1.267 1.505 2.772 3,121 2,692 5,813

80,0 295 722,4 0,02352 1.317 1.441 2.758 3,207 2,536 5,743

90,0 303,4 705,4 0,02048 1.363 1.379 2.742 3,285 2,392 5,677

100,0 311 688,6 0,01802 1.407 1.317 2.724 3,359 2,255 5,614

78

Termodinámica del vapor Propiedades del vapor

• Tablas de vapor

• Diagramas de Mollier

• ASHRAE Fundamentals Handbook

• Datos tabulados

• Diagrama P-h

• Programas informáticos

• Ecuación de estado de los diferentes refrigerantes

• Engineering Equation Solver (EES)

• REFPROP - National Institute of Standards & Testing (NIST)

Punto de referencia

• ¡Es posible que varíe según la fuente!

79

Análisis tipo estado estacionario flujo estacionario (SSSF)

• No tiene en cuenta los términos que dependen del tiempo

• No se tienen en cuenta las respuestas dinámicas

• No tiene en cuenta el arranque, el apagado, ni las condiciones anormales (o paradas de emergencia)

Se usan las condiciones de funcionamiento promedio

Las tasas estacionales y de producción se abordan con una metodología de "análisis de intervalos discretos"

En los sistemas se realiza un análisis de los niveles de impacto

Análisis de los sistemas de vapor

80

Análisis de los sistemas de vapor Para poder evaluar correctamente los sistemas de vapor, hay que

entender todos los procesos • Termodinámica • Transferencia de calor • Flujo de fluido

Mediciones de los procesos • Temperaturas, presiones, flujos, etc.

U.S.DOE Tools Suite • Steam System Scoping Tool (SSST) • Steam System Assessment Tool (SSAT) • Software de evaluación del aislamiento 3E Plus

Software disponible comercialmente • Aspen Tech • ProSteam (KBC Linhoff March) • Visual MESA, etcétera

81

Ley: Dado un volumen de control, la masa no se crea ni se destruye

Matemáticamente,

• Flujo de masa entrante = flujo de masa saliente

en forma de ecuación

• ΣMin = ΣMout

El estado de la sustancia y el flujo de volumen pueden cambiar

Conservación de la masa

Caja negra (volumen de control) Min Mout

estado estacionario flujo estacionario

82

Para calentar agua mediante vapor se usa un intercambiador de calor de carcasa y de tubos

Se midió un caudal de agua de 600 l/min

No conocemos el caudal de vapor

Ejemplo: F1

Aguain Aguaout

Vaporin

Condensadoout

83

Aplique estado estacionario flujo estacionario - Conservación de la masa Por el lado del agua: Flujo de agua entrante = flujo de agua saliente

Por el lado del vapor: Flujo de vapor entrante= flujo de condensado saliente

Ejemplo: F1

Aguain Aguaout

Vaporin

Condensadoout

84

Aplique estado estacionario flujo estacionario - Conservación de la masa Por el lado del agua: Flujo de agua entrante = 600 litres/min

= 600 kg/min Flujo de agua saliente = 600 litres/min = 600 kg/min

Por el lado del vapor: Flujo de vapor entrante = flujo de condensado saliente

Ejemplo: F1

85

Ley: Dado un volumen de control, la energía masa no se crea ni se destruye Sólo puede cambiar de una forma a otra.

Matemáticamente, • Flujo de energía entrante + calor =

flujo de energía saliente + trabajo

en forma de ecuación

• ΣMin*hin + Q = ΣMout*hout + W

Conservación de la energía

Caja negra (volumen de control) Min

hin

Mout hout

Q

W

estado estacionario flujo estacionario

86

Temperatura del agua saliente = 75 °C

Calor específico del agua = 4,183 kJ/kg-K

Calor transferido al agua = Mwater * Cp * (Tout – Tin)

Ejemplo: F1

Aguain Aguaout

Vaporin

Condensadoout

( )

kWQ

kWQ

091.2

2575183,460

600

=

−××=

87

Condiciones del vapor entrante Vapor saturado a presión atmosférica (1.0 bar)

Salida del condensado saliente: Saturado a T = 100 °C

Calor transferido por el vapor = Msteam * hsteam – Mcondensate * hcondensate

En el volumen de control no hay trabajo del eje: W = 0

Calor transferido al agua = Calor transferido por el vapor

Conservación de la masa Msteam = Mcondensate

Ejemplo: F1

88

Q = Msteam * (hsteam – hcondensate)

Las tablas de vapor contienen información sobre las entalpías del vapor y del condensado

hsteam - vapor saturado a 1,0 bar = 2.676 kJ/kg

hcondensate – Sat. Condensado a 100 °C = 419 kJ/kg

Ejemplo: F1

( )( )

Tphhkg

skgM

MMQ

steam

steam

steam

34,3336.3927,0

257.2 091.2419676.2

===

×=−×=

89

Ejemplo: F1

Líquido Saturado

Vapor saturado (Vapor seco)

Presión (bares)

t sat (C)

Calidad Entalpía (kJ/kg)

0,5 81,3 0 340,4

0,5 81,3 1 2.645

1,013 100,0 0 419

1,013 100,0 1 2.676

1,5 111,4 0 467,1

1,5 111,4 1 2.693

2 120,2 0 504,7

2 120,2 1 2.707

2,5 127,4 0 535,4

2,5 127,4 1 2.717

90

Ejemplo: F1

Aguain Aguaout

Vaporin

Condensadoout

Q = 2.091 kW

M = 600 kg/min. T = 25°C

M = 600 kg/min. T = 75 ºC

M = 3,34 Tph T = 100 ºC

P = 1 bar Calidad = 1

M = 3,34 Tph T = 100 ºC

P = 1 bar Calidad = 0

Saturado Vapor

Saturado Líquido

91

Para calentar agua se inyecta vapor directamente en una vasija

El proceso necesita un caudal de agua de 600 l/min (además, se lo midió)

No conocemos el caudal de vapor

Ejemplo: F2

Aguain Aguaout

Vaporin

Condensadoout = 0

92

Aplique estado estacionario flujo estacionario - Conservación de la masa

Flujo de agua entrante + Flujo de vapor entrante = Flujo de agua saliente

Ejemplo: F2

Aguain Aguaout

Vaporin

93

Aplique estado estacionario flujo estacionario - Conservación de la masa

Flujo de agua entrante = Mwaterin = desconocido Flujo de vapor entrante = Msteam = desconocido

Flujo de agua saliente = Mwaterout = 600 litres/min ~ 600 kg/min

Mwaterin + Msteam = Mwaterout ….Ecuación 1

Ejemplo: F2

94

Temperatura del agua entrante = 25 °C

Temperatura del agua saliente = 75 °C

Condiciones del vapor entrante Vapor saturado a presión atmosférica (1.0 bar)

En el volumen de control no hay trabajo del eje: W = 0

Aplique estado estacionario flujo estacionario - Conservación de la Energía Mwaterin * hwaterin + Msteam * hsteam = Mwaterout * hwaterout ..Ecuación 2

Ejemplo: F2

Aguain Aguaout

Vaporin

95

Las tablas de vapor contienen información sobre las entalpías del vapor y del agua subenfriada

hwaterin - agua subenfriada (1,0 bar, 25 °C) = 104,8 kJ/kg

hsteam - vapor saturado a 1,0 bar = 2.676 kJ/kg

hwaterout - agua subenfriada (1,0 bar, 75 °C) = 314 kJ/kg

Ejemplo: F2

Presión i (bares)

Temp i (C)

Calidad i Entalpía i

(kJ/kg) Densidad i

(kg/m3)

1,013 25,0 -100 104,8 997,1

1,013 75,0 -100 314 974,9

1,013 100,0 1 2.676 0,597

96

La ecuación 1 se escribe ahora así

Ejemplo: F2

skgM

MM

MM

MMM

waterout

steamwaterin

steamwaterin

wateroutsteamwaterin

75,9

75,9000.1

9,97460

600

=

=+

×=+

=+

97

La ecuación 2 se puede escribir así

Si resolvemos la ecuación 1 y la 2 simultáneamente, obtenemos

Ejemplo: F2

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) 5,061.3676.28,104

31475,9676.28,104314676.28,104

=×+××=×+×

×=×+×

steamwaterin

steamwaterin

wateroutsteamwaterin

MMMM

MMM

Tphhkg

skgM

ls

kgM

steam

waterin

85,2855.2793,0

minlitros 539

min60000.1

1,99796,896,8

===

=××==

98

Ejemplo: F2

Aguain Aguaout

Vaporin

M = 8,96 kg/min. V = 539 l/min T = 25 ºC

M = 9,75 kg/min. V = 600 l/min T = 75 ºC

M = 2,85 Tph T = 100 ºC

P = 1 bar Calidad = 1

Saturado Vapor

99

Puntos más importantes / Acciones recomendadas

1. Usar el enfoque de los sistemas para optimizar los sistemas de vapor

2. Los sistemas de vapor tienen cuatro áreas principales - Generación, distribución, usos finales y recuperación

3. Para analizar un sistema de vapor, hay que entender las leyes de la termodinámica, la transferencia de calor y las propiedades de los flujos fluidos y del vapor

4. El vapor se usa en todo tipo de industrias para realizar varias tareas y es le medio más efectivo para transportar energía y producir trabajo en un eje (o energía eléctrica)