AUMENTO DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LAS CALDERAS

1

AUMENTO DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LAS CALDERAS MEDIANTE LA RECIRCULACIÓN DE CONDENSADOS EN LA INDUSTRIA GLORIA

COLOMBIA PLANTA COGUA (CUNDINAMARCA)

ERIKA VIVIANA PRIETO BAUTISTA

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS

FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL

LÍNEA DE INVESTIGACIÓN EN TECNOLOGÍAS MÁS LIMPIAS

BOGOTÁ D.C., COLOMBIA

2017

2

AUMENTO DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LAS CALDERAS MEDIANTE LA RECIRCULACIÓN DE CONDENSADOS EN LA INDUSTRIA GLORIA

COLOMBIA PLANTA COGUA (CUNDINAMARCA)

ERIKA VIVIANA PRIETO BAUTISTA

Proyecto de grado para optar por el título de Ingeniería Ambiental

Modalidad pasantía

NIDIA ELENA ORTIZ PENAGOS

Ing. Química, MSc. en Desarrollo Sostenible y Medio Ambiente

(Director)

JOHAN ALEXANDER ALVARÉZ BERRIO

Ing. Ambiental y Sanitario, MSc en Toxicología

(Co-director)

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS

FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL

LÍNEA DE INVESTIGACIÓN EN TECNOLOGÍAS MÁS LIMPIAS

BOGOTÁ D.C., COLOMBIA

2017

3

CONTENIDO

Pág.

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................... 6

LISTA DE TABLAS .................................................................................................. 7

LISTA DE ANEXOS ................................................................................................ 8

LISTA DE SIMBOLOS Y ABREVIATURAS ............................................................. 9

RESUMEN ............................................................................................................ 10

INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 11

1. OBJETIVOS .................................................................................................... 13

1.1 Objetivo General ...................................................................................... 13

1.2 Objetivos Específicos ............................................................................... 13

2. MARCO REFERENCIAL ................................................................................ 14

2.1 Marco Contextual ..................................................................................... 14

3. MARCO TEÓRICO ........................................................................................ 16

3.1 Agua de alimentación en las calderas ...................................................... 19

3.2 Pérdidas de calor ..................................................................................... 20

4. MARCO CONCEPTUAL ................................................................................. 24

5. MARCO LEGAL .............................................................................................. 26

5.1 Norma técnica colombiana NTC-ISO 5667-7: Gestión ambiental. Calidad de

agua. Muestreo. Guía para el muestreo de agua y vapor en calderas............... 26

5.2 Norma técnica colombiana NTC-ISO 5667-1: Gestión ambiental. Calidad de

agua. Muestreo. Directrices para el diseño de programas de muestreo ............ 26

5.3 ISO 50001: 2011. Sistemas de gestión energética - Requisitos con

orientación para el uso ....................................................................................... 26

6. DESARROLLO DE LA PASANTÍA ................................................................. 27

Metodología ....................................................................................................... 27

6.1 Descripción general de la planta .............................................................. 27

4

6.2 Diagnóstico del estado del agua .............................................................. 27

6.3 Determinación del aumento de la eficiencia energética de las calderas

mediante el sistema de recirculación de condensados ...................................... 28

6.3.1 Determinación de la eficiencia de las calderas sin recirculación de

condensados .................................................................................................. 28

6.3.2 Calor perdido al ambiente por el sistema de recirculación de

condensados .................................................................................................. 29

6.3.3 Temperatura del agua al final de la tubería de condensados para su

almacenamiento al tanque de condensados ................................................... 30

6.3.4 Incremento de energía aprovechada por recirculación de condensados

30

6.3.5 Aumento de la eficiencia energética de las calderas ......................... 31

6.3.6 Bomba de recirculación de condensados .......................................... 31

6.3.7 Aumento de la eficiencia energética si se eliminaran las purgas ....... 32

7. RESULTADOS OBTENIDOS ......................................................................... 33

7.1 Descripción general de la planta .............................................................. 33

7.1.1 Calderas ............................................................................................ 33

7.1.2 Sistemas de control de material particulado ...................................... 36

7.1.3 Suavizador de intercambio iónico catiónico ....................................... 36


7.1.5 Tanque de recolección de condensados ........................................... 40

7.2 Diagnóstico del estado del agua .............................................................. 41

7.2.1 Aforos realizados a los condensados ................................................ 41

7.2.2 Parámetros de agua suavizada, agua tratada y purgas .................... 45

7.2.3 Consumo de combustible vs generación de vapor ............................ 55


mediante el sistema de recirculación de condensados ...................................... 56


condensados .................................................................................................. 58

7.3.2 Calor perdido al ambiente por el sistema de recirculación de

condensados .................................................................................................. 60


almacenamiento en el tanque de condensados .............................................. 64

5

7.3.4 Incremento de energía aprovechada por recirculación de

condensados………………………………………………………………………...65

7.3.5 Aumento de la eficiencia energética de las calderas por recirculación

de condensados ............................................................................................. 66


7.3.7 Aumento de la eficiencia energética si se eliminaran las purgas ....... 72

8 CONCLUSIONES ........................................................................................... 76

8.1 Recomendaciones.................................................................................... 77

9 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................... 78

ANEXOS .................................................................................................................. I

6

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1 Distribución de consumo de energía final. Colombia 2015…...….………11 Figura 2. Ubicación de la Planta Gloria Colombia en Cogua……………………….15 Figura 3. Logo oficial de la empresa Gloria Colombia S.A…………..…………..….15 Figura 4. Vista general del proceso de las calderas…………………………………16 Figura 5 Generación de vapor dentro de una caldera piro-tubular…………………17 Figura 6. Condensación del vapor y recuperación de condensados………………18 Figura 7. Películas aislantes en las conducciones de vapor…..…………………….21 Figura 8. Eficiencia vs espesor de la capa de hollín (lado fuego)…………..………22 Figura 9. Eficiencia vs espesor de las incrustaciones (lado agua)……………...….23 Figura 10. Componentes de una caldera piro-tubular………………..………………33 Figura 11. Caldera de 300 BHP en la planta de Cogua…..…...…………………….35 Figura 12. Caldera de 350 BHP en la planta de Cogua…..……...………………….35 Figura 13. Sistemas de control de MP en las calderas…………….………….….…36 Figura 14. Componentes de un suavizador……………..........................................37 Figura 15. Suavizador de intercambio iónico catiónico……………………...………38 Figura 16. Bomba de recirculación de condensados…………………………….…..39 Figura 17. Tanque de recirculación de condensados………………………………..40 Figura 18. Diagrama de los tipos de aguas en el sistema………………………..…41 Figura 19. pH, dureza y alcalinidad de los condensados……………………………44 Figura 20. pH, dureza y alcalinidad del agua suavizada…………………………….47 Figura 21. pH, dureza y alcalinidad del agua tratada………………………………..50 Figura 22. pH, TDS, conductividad y alcalinidad de la purga caldera 300 BHP….52 Figura 23. pH, TDS, conductividad y alcalinidad de la purga caldera 350 BHP….54 Figura 24. Procedimiento para calcular el aumento de la eficiencia energética mediante recirculación de condensados………………………………………………57 Figura 25. Radios de la manguera conectada a la bomba de recirculación de condensados……………………………………………………………………..………61 Figura D-1. Termómetro de bolsillo………………………………………………….…IV Figura D-2. Equipo pH metro portátil…………………………………………………..IV Figura D-3. Kit de dureza………………………………………………………………..V Figura D-4. Kit de alcalinidad…………………………………………………………...V Figura D-5. Resultado de la muestra de dureza……………………………………...VI Figura D-6. Pasó a paso de la alcalinidad…………………………………………….VI

7

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Requerimientos del agua de alimentación a las calderas……….………..19 Tabla 2. Requerimiento del agua dentro de las calderas…..………...……….….…20 Tabla 3. Valores del exceso de aire de acuerdo al tipo de combustible y quemador [14]…………………………………………………………………………………………20 Tabla 4. Aforos de los condensados realizados en planta………..………………...42 Tabla 5. Parámetros tomados a los condensados……………………..………….…43 Tabla 6. Parámetros del agua suavizada para la caldera 300 y 350 BHP.….........46 Tabla 7. Parámetros del agua tratada para la caldera 300 y 350 BHP….………...49 Tabla 8. Parámetros de la purga de Caldera 300 BHP.……………………………..51 Tabla 9. Parámetros de la purga de Caldera 350 BHP.……………………………..53 Tabla 10. Eficiencia: Kg de vapor generado por galón consumido de combustible……………………………………………………………………………….55 Tabla 11. Consumos diarios de combustible, generación de vapor, pérdidas de condensados en purgas…………………………………………………………………56 Tabla 12. Interpolación de 185 °C (temperatura a la que sale el vapor de las calderas)……………………………………………………………….………………….58 Tabla 13. Interpolación de la presión absoluta 1.1053 MPa…………….…….........58 Tabla 14. Interpolación de temperatura 72 °C y viscosidad………………….……...65

8

LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo A. Equipos del área de UHT que se encontraban en producción en el momento que se realizó los aforos a los condensados………….…………………....I

Anexo B. Equipos del área de pasteurización que se encontraban en producción en el momento que se realizó los aforos a los condensados……………………………………………………………………………….II

Anexo C. Equipos del área de derivados, mezclas y cestillos que se encontraban en producción en el momento que se realizó los aforos a los condensados……………………………………………………………………………...III

Anexo D. Equipos utilizados en el laboratorio………………………………………...IV

9

LISTA DE SIMBOLOS Y ABREVIATURAS

Abreviaturas

Símbolo Término

PTAR Planta de Tratamiento de Agua Residual

PTAP Planta de Tratamiento de Agua Potable

BHP Boiler Horse Power

S.A. Sociedad Anónima

LTDA. Sociedad de Responsabilidad Limitada

kW/m2 Kilowatt por metro cuadrado

°C Grados centígrados

J Joule

Kg Kilogramo

m3 Metro cúbico

mm Milímetro

SPD Purgadores de presión secundaria

Ppm Partes por millón

Ppb Partes por billón

Ppt Partes por trillón

Mg/L Miligramo por litro

uS/cm microSiemens por centímetro

Lb Libra

Gal Galón

PVC Policloruro de vinilo

B-S Norma Británica

ABMA American Boiler Manufacturing Association

h Entalpía

TDS Sólidos Disueltos Totales

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RESUMEN

En la planta Gloria Colombia de producción de lácteos y sus derivados, los condensados provenientes del vapor de las calderas, después de su utilización en los intercambiadores de calor, se conducen a la planta de tratamiento de aguas residuales, sin aprovechamiento de la energía calórica que contienen, además de generarse elevados consumos de agua en las calderas. Este trabajo determina el incremento de la eficiencia energética de las calderas mediante un sistema de recirculación de condensados provenientes de los intercambiadores de calor en la planta de producción Gloria Colombia, a través de un sistema de bomba y tubería con aislamiento térmico. Se realizaron aforos de los condensados para determinar el caudal promedio a recircular, se analizaron los parámetros físico químicos de calidad del agua de los condensados, agua efluente del suavizador correspondiente al sistema de tratamiento del agua de alimentación a la caldera y posteriormente agua tratada con secuestrante de oxígeno para inhibición de corrosión y desincrustante; los parámetros que se determinaron al agua con base en los métodos normalizados para análisis de aguas, fueron pH, temperatura, alcalinidad y dureza.

La metodología se desarrolló en 3 fases, en la primera se hizo una descripción general de la planta identificando los equipos que dependen del proceso de las calderas, el suavizador y las tuberías que llevan el vapor y traen el condensado, en la segunda fase se realizó el diagnóstico del agua que ingresa al suavizador, el agua de alimentación a las calderas, los condensados y a las purgas, en la tercera fase se evaluó el incremento de la eficiencia energética de las calderas por implementación del sistema de recirculación de condensados.

Por último, se determinó que el aumento de la eficiencia energética de las calderas fue de 60,16% a 61,47% realizando la recirculación de los condensados, es decir que por día se ahorran en promedio 24 m3 de agua lo que corresponde a un 40%.

Palabras clave: caldera, eficiencia energética, poder calorífico, recirculación de condensados, vapor.

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INTRODUCCIÓN

La Política Nacional para la Gestión Integral del Recurso Hídrico fomenta el reúso

de aguas residuales industriales, planteado en la resolución 1207 de 2014, que

establece como estrategia el uso eficiente y sostenible del agua, la cual se orienta

a fortalecer la implementación de procesos y tecnologías de ahorro y uso eficiente

del agua [1]. La norma 50001 de gestión y eficiencia energética plantea los

fundamentos para incrementar la eficiencia energética en los procesos productivos,

que representan [2]. La generación de condensados provenientes de los

intercambiadores de calor de los procesos productivos, tiene elevado potencial de

reutilización para ser recirculados a las calderas, con los consiguientes ahorros de

agua y energía, considerando que el sector productivo en Colombia representa el

29,36% del consumo energético nacional [3].

Figura 1. Distribución de consumo de energía final. Colombia 2015. Fuente [3]

La planta de producción Gloria Colombia, produce condensados que son

conducidos directamente a la planta de tratamiento de aguas residuales, generando

diversos impactos ambientales relacionados con estos vertimientos por encontrarse

a elevada temperatura de 72°C, incrementar el caudal de agua a tratar en la planta

12

y aumentar el agotamiento de recursos representados por el agua y la energía. La

recirculación de condensados ha sido evaluada por varios trabajos de investigación,

algunos de los cuales se describen a continuación:

Se diseñó un sistema de enfriamiento para recircular los condensados de un

proceso de destilación, por medio de una bomba y una torre de enfriamiento,

logrando un ahorro de agua de 16,2 L/min [4]. Para disminuir consumos de agua,

se evaluó la reutilización del agua de los últimos procesos de lavados de tanques,

para su reúso en los primeros lavados, encontrando que puede obtenerse un ahorro

de mensual de agua de 629,5 m3 que representan cerca de $2´600.000 [5]. Para el

proceso de decapado que consiste en la eliminación de una capa de óxido de la

superficie de un metal, en una industria siderúrgica, se evaluó la recirculación de

condensados provenientes de los baños ácidos de este proceso, obteniendo un

ahorro de 0,5 ton/h de vapor [6].

El presente trabajo determinó el aumento de la eficiencia energética de las calderas

mediante el sistema de recirculación de condensados de la planta Gloria Colombia

S.A., captados por las trampas de vapor. El sistema de recirculación consta de una

bomba a la cual se le determinó la potencia requerida y de una tubería disponible

en la planta de 3 pulgadas de diámetro interior y 146,7 m de longitud, para recircular

los condensados hasta el tanque de almacenamiento del agua de alimentación a

las calderas, a la que se colocó aislante de poliuretano expandido. Finalmente, se

evaluó el aumento en la eficiencia energética, el ahorro de consumo de agua y el

ahorro energético por el sistema de recirculación de condensados.

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1. OBJETIVOS

1.1 Objetivo General

Incrementar la eficiencia energética de las calderas de 300 y 350 BHP, que se encuentran en la Planta Gloria Colombia en Cogua, disminuyendo el consumo de agua y combustible por medio de la recirculación de los condensados generados del proceso en producción.

1.2 Objetivos Específicos

- Realizar los balances de materia y energía en los procesos de producción que utilizan el vapor de las calderas y generan condensados.

- Determinar los parámetros físico-químicos del agua de los condensados (temperatura, pH, dureza y alcalinidad) evaluando sus condiciones para ser reutilizados en las calderas, para compararlos con los del agua tratada que ingresa a las calderas y saber si se genera reducción de las incrustaciones en las tuberías, teniendo posiblemente mejor calidad de los condensados por provenir de agua evaporada.

- Determinar el incremento de la eficiencia energética con base en la disminución del consumo de combustible en las calderas y la disminución de la cantidad de agua de alimentación a las calderas.

14

2. MARCO REFERENCIAL

2.1 Marco Contextual

La empresa actualmente se llama Gloria Colombia S.A., la cual es un conglomerado

de tres marcas reconocidas en el mercado que son Algarra, California y Lechesan.

En el 2004 Algarra fue adquirida por el Grupo Gloria de Perú y en el 2014 California,

Lechesan e Incolacteos son adquiridos por Algarra S.A., como parte del grupo Gloria

Colombia S.A [7].

La planta principal se encuentra ubicada en el municipio de Cogua, Cundinamarca (Figura 2) en la provincia de Sabana Centro limitando con los municipios de Zipaquirá al sur, al oriente con Nemocón, al norte con Tausa, y al occidente con Pacho, donde su principal fuente de producción está enfocada en leches pasteurizadas en bolsa marca Algarra y leche larga vida UHT Algarra en todas sus variedades de entera, semidescremada, descremada, deslactosada y con avena; leche entera y semidescremada pasteurizada marca De la Finca, mantequilla Cremax, crema de leche UHT y pasteurizada marca Cremax y De la Finca y jugos Tampico bajo licencia [8].

En ocasiones suele sacar lotes de jugos néctar California, refrescos, tampico y agua embotellada, en la Figura 3 se plasma el logo actual de la empresa Gloria Colombia S.A, el cual sigue representando las tres marcas (Algarra, Conservas California y Lechesan), pero por temas de reconocimiento en el mercado, prefieren que esta sea su cara.

15

Figura 2. Ubicación de la Planta Gloria Colombia en Cogua. Fuente: Arcgis

Figura 3. Logo oficial de la empresa Gloria Colombia S.A. Fuente: [9]

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3. MARCO TEÓRICO

En la planta de Cogua Gloria Colombia S.A., se cuenta con un sistema de recuperación de condensados, pero la bomba que hace el retorno de estos se encuentra inactiva, razón por la cual esta agua de condensados no está siendo aprovechada en el proceso de las calderas, lo que aumenta el consumo de agua, combustible y productos químicos para mantener la operación de las dos calderas en la planta; además la tubería de retorno no tiene aislamiento térmico.

Dentro del proceso de la industria se requiere el vapor para el funcionamiento de los equipos que se emplean para la producción de los diversos productos en la planta. Puesto que este posee elevado poder calorífico por unidad de masa, tiene elevado coeficiente de transferencia térmica (2.3 - 2.9 kW/m2 * °C) lo que facilita la transferencia de calor a otros puntos del sistema, no necesita energía adicional para transportarse, no presenta riesgo de incendio y es fácil controlar la presión y temperatura del vapor con un sistema de válvulas [6]. Para una mejor visión en la Figura 4 se logra apreciar una vista general de las calderas, el recorrido del vapor hacia el área de producción y cuando se condensa este es capturado por la trampas, llevando el condensado hacia la bomba de recirculación para dirigirlos al tanque de almacenamiento, posteriormente los condensados ingresan al suavizador y al salir de allí, finalmente ingresan a la caldera como agua de alimentación.

Figura 4. Vista general del proceso de las calderas. Fuente: Autora

17

En la Figura 5 se muestra un esquema de la generación de vapor, la cual se produce por la energía que contiene el combustible y se emplea en la caldera, que al quemarse se convierte en energía calorífica, esta se transmite a través de las paredes de los tubos que contiene la caldera hasta el agua que se encuentra adentro, aumentando su temperatura hasta alcanzar el punto de saturación convertirse en vapor [6]. Por ello, es muy importante hacer eficiente el sistema de vapor teniendo en cuenta cuanto combustible se está quemando y el poder calorífico de este (cantidad de J por Kg o m3) [10].

Figura 5. Generación de vapor dentro de una caldera piro-tubular. Fuente: Autora

La Figura 6 presenta el proceso de condensación del vapor, ocurre cuando el vapor sale de la caldera y empieza a ceder su energía calórica a cualquier superficie que se encuentre por debajo de su temperatura, por ello, una parte de éste se condensa, volviéndose agua a la misma temperatura. Este condensado pierde la entalpía de evaporación, cayendo agua caliente a la parte baja donde se transporta, razón por la cual se le llama condensado y debe ser drenada del circuito de vapor [6]. La temperatura del vapor y el condensado es igual, pero el segundo pierde energía al transferirla a la tubería, transmitiendo menor calor al producto que se desea calentar después de obtener el condensado. Además, la transferencia de calor del condensado es menor que la del vapor, debido a que este último al cambiar de

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estado posee mayor capacidad de transmitir su calor latente, comparado con el condensado que solamente puede transferir calor sensible que es el correspondiente a su enfriamiento conservando su estado líquido [6].

Figura 6. Condensación del vapor y recuperación de condensados. Fuente: Autora

También se puede observar en la Figura 5, que al retornar los condensados a la caldera se generan ahorros de agua, energía y combustible evitando tratamientos químicos al agua de alimentación a la caldera, lo que también mejora las condiciones de trabajo y reduce la huella de carbono. El calor contenido en los condensados en sistemas de baja presión representa un 10% del calor total usado para generar vapor y en sistemas de alta presión este valor puede ser mayor a 15% [10]. Recuperar este condensado genera un ahorro del 35% al 50% de la energía que se emplea en el proceso inicial en la caldera.

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3.1 Agua de alimentación en las calderas

El agua tiene cantidad de impurezas que afecta el proceso de generación de vapor, por tal motivo se somete el agua o condensado a un tratamiento físico-químico para tener una buena transferencia de calor y disminuir los depósitos de impurezas [11].

En la Tabla 1 y Tabla 2 se muestran los requerimientos exigidos por British Standards Institution (BSI - BS 2484) y The American Boiler Manufacturers Association (ABMA) para llevar a cabo la operación de una caldera con los parámetros del agua de alimentación y el agua dentro de la caldera evitando corrosiones e incrustaciones.

Tabla 1. Requerimientos del agua de alimentación a las calderas

PARÁMETRO VALOR REQUERIDO

Dureza total < 2 ppm

Contenido de oxígeno < 8 ppb

Dióxido de carbono < 25 mg/l

Contenido total de hierro < 0.05 mg/l

Contenido total de cobre <0.01 mg/l

Alcalinidad total < 25 mg/l

Contenido de aceite < 1 mg/l

pH a 25 ºC 8.5 – 9.5

Condición general Incoloro, claro y libre de agentes

indisolubles

Fuente: [12].

20

Tabla 2. Requerimiento del agua dentro de las calderas

PARÁMETRO VALOR REQUERIDO

pH a 25 ºC 10.5 – 11.8

Alcalinidad total CaCO3 < 700 ppm

Alcalinidad cáustica >350 ppm

Secuestrante de oxígeno - Sulfito de sodio - Hidrazina

- Taninos - Dieltilhidroxilamina

30 – 70 ppm 0.1 – 10 ppm

120 – 180 ppm 0.1 - 1.0 (agua de alimentación)

Fosfato Na3PO4 30 – 60 mg/l

Hierro < 3.0 ppm

Sílice 150 ppm

Sólidos disueltos < 3500 ppm

Sólidos en suspensión < 200 ppm

Conductividad < 7000 uS/cm

Condición general Incoloro, claro y libre de agentes indisolubles

Fuente: [12].

3.2 Pérdidas de calor

Las pérdidas de calor afectan la operación de la caldera y disminuyen su eficiencia, por ello el exceso de aire se relaciona con la cantidad de aire necesaria para la combustión que debe ser entregado, logrando así una mezcla de aire/combustible [12] . La magnitud del exceso de aire que requiere una caldera varía según el tipo de combustible y el quemador, según lo muestra la tabla 3:

Tabla 3. Valores del exceso de aire según tipo de combustible y quemador [12].

COMBUSTIBLE TIPO DE QUEMADOR EXCESO DE AIRE MÍNIMO

Gas natural

Atmosférico 65%

Tipo anillo 45%

Boquillas 10%

Bajo exceso de aire 1%

Petróleo

Atomizado por presión 15%

Copa rotativa 22 - 35%

Atomizado con vapor o aire 8 - 35%

Carbón

Parrilla móvil 36%

Parrilla fija 36%

Pulverizado 8%

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Trabajar con excesos de aire por debajo de los especificados en la Tabla 1 provoca disminuciones bruscas en la eficiencia de la caldera, debido a la combustión incompleta del combustible, también la formación de depósitos al interior de la caldera (hollín) y emisión de productos de la combustión con características explosivas y tóxicas, están relacionadas a la operación con exceso de aire insuficientes [12].

Por lo anterior, deben realizarse ajustes principalmente en la presión de combustible, en la entrada de aire al quemador, presión de atomización, temperatura del combustible, posición del quemador y espesor de la cama de combustible sólido, para reducir las pérdidas de calor asociados a un exceso de aire diferente al requerido [12].

En cuanto a la pérdida de calor asociada a la temperatura de los productos (gases) de la combustión, representa un 18% para las calderas que trabajan con gas, en cambio para las calderas de petróleo y carbón es del 12%, por tal razón un aumento en la temperatura de los gases provoca una reducción en la eficiencia de las calderas [12].

En la Figura 7 se muestras las películas de aislantes que están presentes en las conducciones de vapor por su parte en las Figuras 8 y 9 se observa la influencia que tiene el grosor del hollín y las incrustaciones que actúan como aislantes del calor entre los productos de la combustión y el fluido contenido en la caldera, además de disminuir la eficiencia de esta. Por su parte los problemas de tener incrustaciones son problemas de refrigeración de las superficies metálicas de la caldera, provocando sobrecalentamiento.

Figura 7. Películas aislantes en las conducciones de vapor. Fuente: [10].

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La Figura 8 muestra como se ve afectada la eficiencia de la caldera a medida que la capa de hollín se hace más espesa en la parte interna del haz tubular por donde pasan los gases generados de la combustión, para lograr la evaporación del agua, afectando su calidad y la operación de la caldera.

Figura 8. Eficiencia vs espesor de la capa de hollín (lado fuego). Fuente: [12]

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La Figura 9 hace relación de la eficiencia que va perdiendo la caldera a medida que el espesor de las incrustaciones aumenta en la parte externa del haz tubular, lo que afecta el calentamiento del agua para transformarse en vapor y lleva más tiempo.

Figura 9. Eficiencia vs espesor de las incrustaciones (lado agua). Fuente: [12]

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4. MARCO CONCEPTUAL

Agua cruda: agua que no ha recibido ningún tratamiento [13].

Agua de alimentación: agua que contiene parte de condensados y agua de reposición, que pasa a través de una bomba de alimentación [13].

Agua de reposición: es la cantidad de agua que se debe añadir al sistema para reponer el agua que se ha perdido [13].

Agua suavizada: es el agua que ha sido tratada por el suavizador para remover sales minerales presentes.

Alcalinidad: es la cantidad de carbonatos, bicarbonatos, hidróxidos y silicatos o fosfatos en el agua. La alcalinidad del agua de alimentación es importante, ya que representa una fuente potencial de depósitos [12].

Arrastres: este arrastre de condesados en una caldera está directamente relacionado al suministro de vapor húmedo, esto se relaciona a las deficiencias mecánicas (operación con grandes cantidades de agua, deficiencias de los separadores de gota, sobrecargas térmicas, variaciones bruscas en los consumos, etc) y químicas en el proceso (tratamiento de agua de la caldera con excesivos contenidos de alcalinidad, sólidos totales tanto disueltos como en suspensión y sílice que contribuye a la formación de espuma) [12].

Caldera de tubos de humo o piro-tubular: son calderas de tubos de humos donde los gases pasan por el interior de los tubos sumergidos en el interior de una masa de agua, todo ellos rodeado por una carcasa exterior [12].

Cloruros: contribuyen a aumentar la salinidad del agua al mismo tiempo que la hacen corrosiva [12].

Condensado: vapor condensado de plantas o procesos de energía, que no se mezcla con ninguna otra agua [13].

Conductividad: la conductividad del agua permite controlar la cantidad de sales disueltas en el agua [14].

Corrosión: es el proceso en el cual el metal al contacto con el medio ambiente suele cambiar de forma pura de metal a una más estable, como lo es el hierro que es disuelto por el agua y oxidado por el oxígeno que lleva, desatando óxidos de hierro [12].

Depósitos: el agua que contiene la caldera tiene sólidos en suspensión provenientes del agua de alimentación o de los aditivos y procesos de eliminación de las incrustaciones que se decantan en el fondo de la caldera en forma de lodos [12].

25

Dureza: es la cantidad de iones de calcio y magnesio presentes en el agua, puesto que estos favorecen la formación de depósitos e incrustaciones difíciles de remover sobre las superficies de transferencia de calor de una caldera [14].

Incrustación: este tipo de incrustaciones son cristalinas y duras, las cuales se forman sobre la superficie de la calefacción por la cristalización de las sales en disolución saturadas presentes en el agua de la caldera [12].

Las incrustaciones se constituyen por los elementos cuya solubilidad (decrece) disminuye al incrementar la temperatura del agua como el carbonato cálcico, sulfato cálcico, hidróxido cálcico y magnésico, algunos silicatos de calcio, magnesio, y aluminio principalmente [12].

El rendimiento térmico en las calderas y el recalentamiento en el metal expuesto a la llama se ven afectados notablemente por las incrustaciones presentes, además estas son muy peligrosas porque la conductividad térmica es pequeña. Además los lavados químicos, los dispersantes y contracciones en la caldera pueden soltar las incrustaciones, por esta razón es importante eliminarlas evitando la acumulación de estas en el fondo de la caldera, de no removerlas se podría ver afectado el proceso de las purgas de fondo [12].

pH: representa las características ácidas o alcalinas del agua, con su medición se previene los problemas de corrosión (pH bajo) y depósitos (pH alto) [14].

Purga: es un porcentaje de agua que se extrae del interior de la caldera, reemplazándola por agua de alimentación más pura para completar el caudal requerido por la caldera [12]

Solidos Disueltos: son la cantidad de sólidos o impurezas disueltas en el agua [12].

Suavizador: realiza un intercambio iónico en el agua de alimentación para las calderas de vapor, eliminando sales minerales presentes en el agua para evitar formación de incrustaciones en la caldera.

Vapor: es agua en estado gaseoso, ya que al aumentar el calor en el agua, la temperatura en esta alcanza un valor en el cual ya no puede subsistir como líquido [6].

Vapor saturado: se presenta a presiones y temperaturas en las cuales el vapor (gas) y el agua (liquido) pueden coexistir juntos. En otras palabras, esto ocurre cuando el rango de vaporización del agua es igual al rango de condensación [15].

Vapor sobrecalentado: es el vapor que tiene una temperatura mayor a la del vapor saturado que corresponde a su presión [13].

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5. MARCO LEGAL

En este apartado no se encontró marco legal referente al tema, sin embargo se

encontraron algunas guías técnicas que regulan el monitoreo y la calidad del agua

en las calderas, condensados y agua de alimentación, teniendo en cuenta el tema

de la eficiencia energética en la industria.

5.1 Norma técnica colombiana NTC-ISO 5667-7: Gestión ambiental.

Calidad de agua. Muestreo. Guía para el muestreo de agua y vapor

en calderas

Esta norma muestra los procedimientos y equipos que se pueden emplear para realizar el muestreo del agua y el vapor en las calderas, donde se tienen en cuenta muestreos de agua únicamente para agua cruda, agua de reposición, agua de alimentación para las calderas, agua de caldera y agua de enfriamiento, también se muestra los procedimientos para el muestreo de vapor saturado y sobrecalentado

[13].

5.2 Norma técnica colombiana NTC-ISO 5667-1: Gestión ambiental.

Calidad de agua. Muestreo. Directrices para el diseño de programas

de muestreo

Establece los principios que se deben aplicar al momento de diseñar programas de muestreo para control de calidad, caracterización de calidad e identificación de las fuentes de contaminación del agua (sedimentos y lodos) [16].

En cuanto al agua en el sistema de calderas, se debe tener en cuenta en el muestreo de los circuitos vapor/condensado/agua evitando la contaminación de estas, por su parte es bien importante tener en cuenta el material en el cual se fabrica los sistemas de muestres, ya que deben ser construidos en acero inoxidable [16].

5.3 ISO 50001: 2011. Sistemas de gestión energética - Requisitos con

orientación para el uso

Especifica los requisitos para establecer, implementar, mantener y mejorar un

sistema de gestión de energía, cuyo propósito es permitir que una organización siga

un enfoque sistemático para lograr una mejora continua del rendimiento energético,

incluida la eficiencia energética, el consumo de energía y el consumo [17].

27

6. DESARROLLO DE LA PASANTÍA

Metodología

El desarrollo de este trabajo tuvo 3 (tres) fases principales. La primera fase consistió

en una descripción general de la planta mediante fuente primaria de información; en

esta fase se realiza una investigación y descripción de los equipos que directamente

se encuentran implicados con las calderas y la recirculación de los condensados.

La segunda fase consistió en realizar un diagnóstico del estado del agua tanto

después del suavizador y con tratamiento posterior para enseguida usarse para

agua de alimentación a las calderas, como del agua de los condensados y las

purgas de las calderas. En la tercera fase se determinó el aumento de la eficiencia

energética de las calderas mediante el sistema de recirculación de condensados,

aprovechando una tubería disponible en la planta de 3 pulgadas de diámetro interior

y 146,7 m de longitud, colocando revestimiento de poliuretano expandido como

aislante térmico.

6.1 Descripción general de la planta

En la primera parte del desarrollo del trabajo, en el capítulo de resultados, se

describen los equipos que conforman la caldera y sus principales partes, el sistema

de control de material particulado; el suavizador del agua de alimentación a la

caldera para disminuir su dureza, con los correspondientes procesos de retro-

lavado, regeneración y enjuagues de la resina; bomba de recirculación de

condensados y tanque de almacenamiento de condensados.

6.2 Diagnóstico del estado del agua

Se realizó un diseño experimental mono-variable para cada uno de los 4 (cuatro) tipos de agua como variable independiente correspondientes al agua del suavizador, con tratamiento adicional para alimentación de las calderas, purgas y condensados. Se utilizó muestreo simple, determinando con base en los métodos normalizados para análisis de aguas [18] en el laboratorio de la industria Gloria Colombia, los siguientes parámetros físico-químicos como variables dependientes a los 3 (tres) primeros tipos de agua mencionados: pH (SM 4500 B, método potenciómetro), temperatura, sólidos totales disueltos (SM 2540, por gravimetría), conductividad (SM 2510 B), dureza total (SM 2340 C) y alcalinidad total (SM 2320 B). Al agua de los condensados se les determinó pH, temperatura, dureza total y alcalinidad total. Se realizó un muestreo diario durante 23 días para cada tipo de agua que corresponden a las 23 réplicas realizadas; no se hicieron réplicas diarias debido a que la disponibilidad de reactivos para los análisis fue limitada por la empresa. Se realizaron aforos a los condensados que actualmente se están

28

vertiendo a la planta de tratamiento residual a través de una manguera, de allí se tomaron los aforos en un recipiente aforado de 12 Litros, pero para llevar a cabo estas proyecciones solo se hacía la prueba con el llenado de 10 litros. Por consiguiente se recolectaron datos de consumo de combustible, agua y generación de vapor.

6.3 Determinación del aumento de la eficiencia energética de las

calderas mediante el sistema de recirculación de condensados

Se utilizó una tubería disponible en la planta para este sistema de recirculación de

condensados a las calderas de 3 pulgadas de diámetro interior y 146,7 m de longitud

de acero al carbón con sus respectivos accesorios de válvulas y codos con base en

el espacio disponible en la planta y el recorrido necesario para transportar los

condensados al tanque de almacenamiento. Para determinar la potencia requerida

de la bomba, se tuvieron en cuenta el caudal de los condensados, la altura a la que

se necesita elevar el agua y las pérdidas por fricción en la tubería y sus accesorios.

Se utilizó aislante de poliuretano expandido para la tubería y se determinó el

aumento de eficiencia de las calderas por recirculación de condensados respecto a

la eficiencia sin recirculación de estos.


condensados

Se calculó mediante la relación del calor que recibe el agua en las calderas y el

calor que libera la combustión, según la ecuación 6.1:

Ƞ =𝑄𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑄 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛× 100 (6.1)

Donde:

Ƞ = Eficiencia actual

𝑄𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑒 𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑄 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑞𝑢𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛

El calor que recibe el agua se determinó con el caudal másico promedio de esta en

las calderas y su cambio de entalpía, mediante la ecuación 6.2:

𝑄𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟∗(ℎ𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎− ℎ𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎) (6.2)

Donde:

𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟: masa en Kg

29

ℎ: entalpía en KJ/Kg

El calor que transfiere la combustión se determinó a partir del consumo promedio

de combustible y el poder calorífico de este.

6.3.2 Calor transferido al ambiente por el sistema de recirculación de

condensados

El sistema está conformado por una tubería en acero al carbón, con aislamiento de

poliuretano expandido y recubrimiento de aluminio térmico. Se calcularon las

transferencias de calor con base en la ecuación de transferencia de calor por

conducción para un cilindro debido a que es la forma correspondiente a la tubería.

La ecuación de calor por conducción para un cilindro (𝑄):

𝑄 =2𝜋𝐿𝐾∆𝑇

𝐼𝑛 (𝑟2𝑟1) (6.3)

Donde:

𝐿 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑚𝑎 𝑚𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒𝑟𝑎

𝐾 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒

∆𝑇 = 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎

𝑟1 = 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎

𝑟2 = 𝐴𝑖𝑠𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑝𝑜𝑙𝑖𝑢𝑟𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜

Minimizando la (6.3) en:

𝑄 =∆𝑇

𝑅 (6.4)

Donde:

𝑅 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜


𝑄 =∆𝑇

∑𝑅 (6.5)

Despejando la resistencia al flujo (𝑅):

𝑅 =𝐼𝑛 (

𝑟2𝑟1)

2𝜋𝐿𝐾 (6.6)

30

En este caso se tiene un sistema cilíndrico con 3 resistencias en serie, correspondiente a la tubería de acero al carbón, el recubrimiento aislante de espuma de poliuretano y el aluminio térmico exterior, obteniéndose la ecuación (6.7):

𝑄 =∆𝑇

𝐼𝑛 (𝑟2𝑟1)

2𝜋𝐿𝐾1 +


2𝜋𝐿𝐾2+ 𝐼𝑛 (

𝑟4𝑟3)

2𝜋𝐿𝐾3

(6.7)

Donde:


𝐿 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎

𝐾 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒

𝑟1 = 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎

𝑟2 = 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎

𝑟3 = 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑠𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑝𝑜𝑙𝑖𝑢𝑟𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜

𝑟4 = 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑟𝑒𝑐𝑢𝑏𝑟𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜

𝐾1 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑏ó𝑛

𝐾2 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑜𝑙𝑖𝑢𝑟𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑒𝑥𝑝𝑎𝑛𝑑𝑖𝑑𝑜

𝐾3 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜


almacenamiento al tanque de condensados

El calor obtenido en la ecuación (6.6) es equivalente al calor que transfiere el agua

en su recorrido a la tubería, lo que se muestra en la ecuación (6.8):

𝑄𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 = 𝑚𝐶𝑃𝑎𝑔𝑢𝑎∆𝑇 (6.8)

Se halla el cambio en la temperatura y posteriormente la temperatura final del agua.


condensados

Se tuvo en cuenta la disminución del caudal requerido en la caldera por

aprovechamiento de la recirculación de condensados y la energía requerida para

evaporar esta agua que ingresa a las calderas a mayor temperatura que el agua de

alimentación, con base en las entalpías del agua a la entrada de las calderas y del

vapor producido.

31

6.3.5 Aumento de la eficiencia energética de las calderas

Se determinó con base en la relación de la disminución del calor requerido en la

caldera por recirculación de condensados y sin recirculación de los mismos.

6.3.6 Bomba de recirculación de condensados

Las pérdidas por fricción debidas a las rugosidades de la tubería, accesorios

correspondientes a codos, válvulas y entrada al tanque de condensados, se

determinaron a partir de la ecuación (6.9):

ℎ𝑓 = 𝑓 ×𝐿

𝐷×𝑣2

2𝑔 (6.9)

Donde

ℎ𝑓 = 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛

𝑓 = 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛

𝐿 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑

𝐷 = 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜

𝑣 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑

𝑔 = 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑

La potencia de la bomba (WB) se halló mediante la ecuación (6.10):

(𝑊𝐵) = 𝑚 × 𝑔 × 𝑍 (6.10)

Donde:

ӎ = 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠


𝑍 = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎

ӎ 𝑝𝑟𝑜𝑚 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠 = 0,28 𝐿

𝑠𝑒𝑔

𝑔 = 9,81𝑚

𝑠𝑒𝑔2

𝑍 = 7,6 𝑚

32

Para determinar la potencia requerida de la bomba, es necesario incrementar la altura o cabeza de ésta en la correspondiente a las transferencias de calor por fricción, que se calculan como se muestra a continuación:

Las transferencias de calor por accesorios se calcularon con la ecuación (6.9):

ℎ𝑣𝑠𝑖𝑛𝑔 = (#𝑐𝑜𝑑𝑜𝑠 × 𝐾 (𝑣2

2𝑔)) + (#𝑣á𝑙𝑣𝑢𝑙𝑎𝑠 × 𝐾 (

𝑣2

2𝑔)) + (𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 (

𝑣2

2𝑔)) (6.9)

Donde:

𝐾 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒

𝑣 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑


6.3.7 Aumento de la eficiencia energética si se eliminaran las purgas

Con la ecuación 6.10 se puede hallar el potencial de aumento energético del calor que trasfiere la combustión por eliminación de purgas:

𝑃 sin 𝑝𝑢𝑟𝑔𝑎𝑠 = 𝑚𝑝𝑢𝑟𝑔𝑎𝑠(ℎ𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − ℎ𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛) (6.10)

Teniendo el valor del potencial de aumento energético el calor que transfiere la combustión por eliminación de purgas, el calor que recibe el agua y el calor que es transferido por la combustión, se calculará el valor de eficiencia energética eliminando totalmente las purgas en la ecuación 6.11:

Ƞ1 =𝑄 𝑎𝑔𝑢𝑎 + 𝑃 sin 𝑝𝑢𝑟𝑔𝑎𝑠

𝑄 𝑡𝑟𝑎𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 (6.11)

33

7. RESULTADOS OBTENIDOS

7.1 Descripción general de la planta

En esta fase se realiza una descripción de los equipos que directamente se

encuentran implicados con las calderas y la recirculación de los condensados.

Además se describen los equipos o instrumentos utilizados para en el laboratorio

para determinar los parámetros de las muestras de agua tomadas.

7.1.1 Calderas

En la planta Gloria Colombia la empresa cuenta con dos calderas piro-tubulares, por lo cual en la Figura 10 se muestran los componentes, en la Figura 11 se presenta una imagen de la caldera de 300 BHP en la planta, al igual que la Figura 12 la caldera de 350 BHP.

Figura 10. Componentes de una caldera piro-tubular. Fuente: [19]

34

Siendo: 1: envolvente exterior 2: cámara de combustión 3: haz tubular 2º paso 4: haz tubular 3º paso 5: cámara de inversión de gases 6: fondo trasero 7: fondo delantero 8: bancada 9: aislamiento 10: válvula de salida de vapor 11: válvulas de seguridad 12: indicador óptimo de nivel 13: control de nivel 14: boca de inspección lateral 15: manómetro 16: presostatos 17: válvula de vaciado Envolvente exterior o virola exterior: Se encarga de contener los fluidos (agua y/o vapor), evitando que salgan al exterior, también van montadas las tubuladoras de control y supervisión, como los controles de nivel, el indicador óptico de nivel y orificios de inspección del lado del agua [20].

Cámara de combustión u hogar de combustión: Es la encargada de contener la llama del quemador e iniciar el intercambio de energía por radiación y se puede fabricar ondulada o lisa, en función del tamaño de la caldera y de la presión según el trabajo de esta [20].

Cámara de inversión de gases: Este elemento reduce los gases de la combustión hacia el haz tubular, cambiando la dirección de estos. Esta cámara está totalmente refrigerada por agua, construida de forma cilíndrica y horizontal. Aunque en calderas de bajo rendimiento una de los dos fondos no está refrigerado por agua, si no de mampostería de cemento refractario [20].

Fondo delantero y trasero interior: Este evita que los fluidos salgan al exterior, por lo que de forma circular van soldados a la virola exterior [20].

Haz tubular: Es una gran cantidad de tubos, por los cuales circula gases de la combustión por su interior, encargados de la trasmisión por convección (transferencia de calor) [20].

35

Figura 11. Caldera de 300 BHP en la planta de Cogua. Fuente: Autora

Figura12. Caldera de 350 BHP en la planta de Cogua. Fuente: Autora

36

7.1.2 Sistemas de control de material particulado

Como sistemas de control de material particulado, las dos calderas (300 y 350 BHP) cuentan con ciclones que controlan principalmente MP de diámetro aerodinámico mayor de 12 micras (µm), este se puede observar en la Figura 13.

Figura 13. Sistemas de control de MP en las calderas. Fuente: Autora

7.1.3 Suavizador de intercambio iónico catiónico

En la Figura 14 se logra observar el proceso de un suavizador de intercambio iónico catiónico de medio caudal que corresponde a una capacidad de 1 m3 con funcionamiento automático que implica que se puede programar su regeneración por cantidad de agua tratada o por tiempo en proceso continuo (Figura 15), dónde

37

el agua (30ºC máximo) ingresa primero por el suavizador que contiene resina intercambiadora de iones sodio los cuales intercambia por los iones metálicos y otros cationes del agua a tratar y una resina aniónica polimérica que intercambia iones negativos contenidos en el agua por iones hidroxilos, OH-, de la resina [21]. Finalmente, suben por la tubería de salida de agua tratada y fuera del suavizador se les dosifica desincrustante y secuestrante de oxígeno, para ingresar a las calderas.

Figura 14. Componentes de un suavizador. Fuente: [22]

La resina conocida comercialmente como Resina Amberlita, que se encuentra dentro del suavizador es fabricada por Bayer A.G (Alemania), tiene una alta capacidad de cambio iónica con el intercambio de iones de sodio por los de calcio

38

y magnesio que se encuentran en el agua, formando compuestos no incrustantes en el agua que se está tratando [21].

Cuando la resina se agota se realiza la regeneración mediante un lavado con una solución fuerte, en este caso se realiza con salmuera al 12% (sal industrial – Cloruro de sodio). Esta reacción química reemplaza los iones de calcio y magnesio con los iones de sodio, produciéndose un intercambio estable en la columna de suavización [21].

Proceso:

- Retrolavado: En este proceso la resina se lava en contra corriente haciendo expandir el lecho de resina para liberarla de cualquier sólido suspendido que hubiese podido contener en agua cruda.

- Regeneración: Se realiza a la resina para que pueda recobrar la capacidad original de intercambio iónico.

- Enjuague lento y rápido: Permite al suavizador despojarse de los productos de la regeneración, este enjuague se realiza cada 8 días.

En cuanto al tanque de solución de cloruro de sodio debe encontrarse lo más cerca posible del suavizador, siendo la conexión de la columna al tanque en tubo PVC [21]. Por tanto, el tanque de salmuera siempre debe encontrarse lleno de agua y solución de sal al 12%, bien cubierto y libre de cualquier contaminante. En la Figura 15 se muestra el suavizador presente en la planta.

Figura 15. Suavizador de intercambio iónico catiónico. Fuente: Autora

39


Por su parte, se encuentra una bomba de recirculación de condensados (Figura 16) de tipo mecánica impulsada por vapor, llamadas también Purgadores de Presión Secundaria (SPD), fueron inventadas para vencer las dificultades que pueden ocurrir a las bombas eléctricas, eliminando o reduciendo los problemas de cavitación, ya que no usan la rotación de los álabes [10].

Figura 16. Bomba de recirculación de condensados. Fuente: Autora

40

7.1.5 Tanque de recolección de condensados

En la Figura 17 se puede observar el tanque en fibra de vidrio que se utiliza para la recolección de los condensados, pero este se encuentra con algunas fugas y los condensados no se están recirculando a este para ser aprovechados. La capacidad es de 3.500 L (3,5 m3).

Figura 17. Tanque de recirculación de condensados. Fuente: Autora

41

7.2 Diagnóstico del estado del agua

En el laboratorio de la planta se realizaron varios muestreos (Figura 18) a los condensados, al agua del área de las calderas como el agua suavizada, el agua tratada y a las purgas de las calderas, esto con el fin de observar la calidad de cada una de estas en los procesos y en especial de los condensados, puesto que serán los recirculados al sistema.

Figura 18. Diagrama de los tipos de aguas en el sistema. Fuente: Autora

7.2.1 Aforos realizados a los condensados

En la toma de datos del aforo diario se realizaban 3 aforos y se sacaba el promedio entre ellos, para tomar un valor final y proyectarlo a la cantidad que se estaría desaprovechando diariamente, como se muestra a continuación:

42

𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 = 0.26 𝐿

𝑠𝑒𝑔 × 60 𝑠𝑒𝑔

1 𝑚𝑖𝑛 × 60 𝑚𝑖𝑛

1 ℎ ×

24 ℎ

1 𝑑í𝑎 ×

1 𝑚3

1000 𝐿= 22,09 𝑚

3

𝑑í𝑎⁄

En la Tabla 4 se muestran los valores finales obtenidos y se evidencia que el valor diario de condensados desaprovechados es de 24 m3/día (0,28 L/seg) por no recircularlos a las calderas, que representan 8.760 m3/año lo cual representa un valor significativo del agotamiento del recurso agua que puede aprovecharse para reducir su consumo.

Tabla 4. Aforos de los condensados realizados en planta.

Fuente: Autora

Número L/seg L/min L/h L/día m3/día

1 0,26 15,34 920,48 22.091,54 22,09

2 0,35 20,71 1.242,52 29.820,52 29,82

3 0,16 9,48 569,02 13.656,48 13,66

4 0,21 12,52 751,15 18.027,54 18,03

5 0,18 11,06 663,31 15.919,42 15,92

6 0,17 9,97 598,24 14.357,72 14,36

7 0,18 10,75 645,24 15.485,72 15,49

8 0,20 11,71 702,30 16.855,25 16,86

9 0,23 13,71 822,79 19.747,07 19,75

10 0,17 10,39 623,48 14.963,63 14,96

11 0,14 8,15 489,09 11.738,07 11,74

12 0,61 36,50 2.189,78 52.554,74 52,55

13 0,17 10,49 629,15 15.099,62 15,10

14 0,06 3,46 207,63 4.983,08 4,98

15 0,22 13,43 806,03 19.344,73 19,34

16 0,20 11,87 711,93 17.086,35 17,09

17 0,57 34,02 2.041,20 48.988,85 48,99

18 0,35 20,70 1.242,24 29.813,66 29,81

19 0,51 30,64 1.838,61 44.126,66 44,13

20 0,17 10,29 617,11 14.810,58 14,81

21 0,16 9,45 567,26 13.614,16 13,61

22 0,44 26,22 1.573,43 37.762,24 37,76

23 0,70 42,19 2.531,65 60.759,49 60,76

Promedio 0,28 16,65 999,29 23.982,92 23,98

RESULTADO TOTAL AFORO

43

Como parámetros principales para analizar la calidad de los condensados se tienen el pH, la temperatura, la dureza y la alcalinidad. En la Tabla 5 se muestran los parámetros obtenidos realizados en laboratorio a los condensados sin recircular a las calderas, para comparar con los valores que se requieren del agua para alimentar las calderas reportados en de la Tabla 1 (pág 19); en la Figura 19 se muestran las gráficas del pH a 25 ºC, la dureza total y alcalinidad total.

Tabla 5. Parámetros tomados a los condensados

N° tomas pH inicial pH a 25 ºC

Temperatura (ºC)

Dureza (ppm CaCO3)

Alcalinidad (ppm CaCO3)

1 7.1 7.72 72.3 20 40

2 6.97 7.66 74.5 20 40

3 7.2 7.88 74.8 20 40

4 7.2 7.71 73.4 20 40

5 7.35 7.97 61.4 20 40

6 7.42 7.81 74.3 20 40

7 7.35 7.83 74.3 20 40

8 7.41 8 73.5 20 40

9 8.08 8.54 76.1 20 40

10 7.36 7.75 74.5 20 40

11 7.24 7.71 69.3 20 40

12 6.9 7.79 78.1 20 40

13 7.12 7.7 75.8 20 40

14 8.69 8.75 67 20 40

15 7.54 8.05 65.5 20 40

16 7.61 8.22 75.9 20 40

17 7.01 7.71 72.7 20 40

18 6.89 7.5 60.2 20 40

19 7.72 8.3 78.6 20 40

20 7.52 7.95 71.2 20 40

21 7.23 7.71 73.9 20 40

22 7.58 8.1 75.7 20 40

23 7.32 7.72 75.6 20 40

Promedio 7.38 7.92 72.55 20 40

Desviación estándar 0.40 0.30 4.83 0.00 0.00

Fuente: Autora

44

Figura 19. pH, dureza y alcalinidad de los condensados.

Se observa en la Tabla 5 y en la Figura 19 que a pesar de que los valores requeridos de pH a 25°C son de 8,5 a 9,5, se obtuvo para el agua de los condensados un pH promedio de 7,92 a 25°C que indica que falta adicionar más agente basificante y

45

que falta control en la planta sobre esta variable relevante para el buen funcionamiento de la caldera porque a pH de 7,5 a 8,5 se precipitan varios metales como calcio, hierro y magnesio, que generan incrustaciones; los valores de pH mayores tienden a disolver estos preciptados disminuyendo la formación de incrustaciones en las calderas. De manera similar, los valores de dureza y alcalinidad se encuentran por encima de los valores permisibles, siendo el límite de dureza ppm CaCO3 y se encuentra en 20 ppm CaCO3 y de alcalinidad ppm CaCO3 y se encontró un promedio de 40 ppm CaCO3, lo que indica mayor probabilidad de generación de incrustaciones en las calderas porque la elevada concentración de dureza indica presencia de calcio y magnesio. Es de aclarar que la norma determina el rango requerido de pH a 25°C, por lo que se analizan los valores a esta temepratura.

7.2.2 Parámetros de agua suavizada, agua tratada y purgas

Como parametros principales para analizar la calidad del agua suavizada que ha sido tratada por la resina de intercambio iónico, se evalúan los parámetros pH, temperatura, dureza, TDS, conductividad y la alcalinidad. En la Tabla 6 se muestran los parámetros obtenidos realizados en laboratorio al agua después del tratamiento en el suavizador.

46

Tabla 6. Parámetros del agua suavizada para la caldera 300 y 350 BHP.

Fuente: Autora

Nº tomas

AGUA SUAVIZADA 300 Y 350 BHP

pH inicial

pH a 25 ºC

Temperatura (°C)

TDS (ppm) Conductividad

(µS/cm) Dureza Total (ppm CaCO3)

Alcalinidad Total (ppm

CaCO3)

1 8.51 9.21 19.6 0.00000005 1.2 20 10

2 7.91 9.24 21.7 0.00000007 1.4 20 10

3 8.75 9.2 19.3 0.00000005 1.1 20 10

4 8.55 9.12 17.4 0.00000006 1.2 20 10

5 8.57 9.14 18.5 0.00000006 1.2 20 10

6 7.76 9.2 17.8 0.00000008 1.6 20 10

7 8.33 8.91 20.1 0.00000005 0.9 20 10

8 8.76 8.95 21.3 0.00000007 1.1 20 15

9 7.78 9 19.8 0.00000006 1.3 20 15

10 8.4 9.1 19.3 0.00000005 1 20 15

11 8.06 9.15 20.7 0.00000005 1 20 15

12 8.3 9.11 17.3 0.00000005 1 20 15

13 8.5 9 17.9 0.00000005 1.1 20 15

14 8.32 8.94 19.6 0.00000006 1 20 15

15 8.41 8.9 18.5 0.00000006 1.2 20 10

16 8.3 8.7 18.1 0.00000006 1.1 20 10

17 8.52 8.97 19.6 0.00000005 1.1 20 10

18 7.86 9.24 20.7 0.00000006 1.3 20 10

19 7.69 9.16 20.1 0.00000007 1.4 20 10

20 8.52 9.1 18.7 0.00000006 1.2 20 10

21 7.95 9.13 18.3 0.00000006 1.3 20 10

22 8.61 8.94 20.9 0.00000005 1 20 15

23 8.72 8.99 21 0.00000005 1 20 15

Promedio 8.31 9.06 19.40 0.00 1.16 20.00 11.96

Desviación estándar

0.34 0.14 1.29 0.00 0.17 0.00 2.50

47

Figura 20. pH, dureza y alcalinidad del agua suavizada.

Se observa en la Tabla 6 y en la Figura 20 que la dureza promedio obtenida de 20 ppm CaCO3, a pesar de ser mayor que la del agua cruda sin tratar que encuentran entre 60 y 80 ppm CaCO3 (tomados de información de la empresa), aún queda muy elevada respecto al nivel máximo permisible que es de 2 ppm CaCO3; lo que indica que la resina catiónica pueden estar siendo deficientemente regeneradas, hecho

48

que se observó en la planta, por no permitir la disolución completa de la sal cloruro de sodio que se utiliza para regenerar la resina catiónica al preparar la salmuera, o puede estar agotada la resina sin permitir su adecuada regeneración, lo que implicaría un cambio de la ésta. El promedio obtenido de alcalinidad de 12 ppm CaCO3 es menor que el límite máximo permisible de 25 ppm CaCO3, cumpliendo este parámetro.

La conductividad del agua desionizada debe ser 0,055 µS/cm [23]. Se obtuvo conductividad promedio de 1,2 µS/cm que también indica que las resinas no están disminuyendo suficientemente los iones del agua, que es su función. Se puede inferir que las resinas están contaminadas porque el pH del eflente del suavizador es muy básico con promedio de 9,06 a 25°C sin que se haya adicionado desincrustante que es el reactivo que se usa para ajustar pH de 8,5 a 9,5 requerido por el agua para las calderas. Respecto al contenido de sólidos disueltos, se obtuvo un promedio de 6*10-8 ppm de TDS que es un valor muy pequeño debido a que el agua ingresa al suavizador proviene de la planta de tratamiento de agua potable, donde ha pasado por procesos de filtración.

En la Tabla 7 se muestran los resultados de los análisis realizados en laboratorio al agua después del tratamiento con secuestrante de oxígeno que actúa como inhibidor de corrosión y desincrustante.

49

Tabla 7. Parámetros del agua tratada para la caldera 300 y 350 BHP.

Nº tomas

AGUA TRATADA 300 Y 350 BHP

pH inicial

pH a 25 ºC

Temperatura (°C)




CaCO3)

1 7.95 8.94 47.8 0.000000050 1.6 20 10

2 8.08 9.29 45.5 0.000000100 1.8 40 20

3 7.93 8.85 49.6 0.000000060 1.2 20 10

4 9.56 9.14 39.6 0.000000230 3.3 20 15

5 9.42 9.22 38.4 0.000000210 3.2 20 15

6 7.87 8.87 49.1 0.000000100 2.1 20 10

7 8.44 9.31 48.1 0.000000070 1.3 20 20

8 8.42 9.24 46.31 0.000000050 1.1 40 20

9 7.75 8.89 44.1 0.000000130 2.5 40 20

10 8.33 9.25 43 0.000000100 2 20 15

11 8.22 9.24 47.6 0.000000050 1 20 10

12 7.85 8.81 48.2 0.000000050 1.8 20 10

13 7.94 8.83 49.6 0.000000070 1.5 20 10

14 8.02 9.21 49.9 0.000000100 1.1 20 10

15 8.42 9.35 42.8 0.000000100 1.9 20 15

16 9.52 9.35 37.6 0.000000250 3.1 40 20

17 9.81 9.32 39.1 0.000000230 3.4 20 15

18 8.45 9.26 43.5 0.000000120 1.5 20 15

19 8.38 9.25 42.7 0.000000100 1.8 20 15

20 8.1 9.4 46.1 0.000000200 2 40 20

21 7.9 8.91 49.8 0.000000050 1.2 20 10

22 9.36 9.21 38.6 0.000000240 3.4 20 15

23 9.24 9.29 38.5 0.000000200 3.2 20 15

Promedio 8.48 9.15 44.59 0.000000124 2.0 24 15

Desviación estándar

0.65 0.20 4.28 0.000000071 0.8 8 4

Fuente: Autora

50

Figura 21. pH, dureza y alcalinidad del agua tratada.

Se observa en la Tabla 7 y en la Figura 21 que la dureza promedio obtenida de 24 ppm CaCO3, es muy elevada comparada con nivel máximo permisible de 2 ppm CaCO3; lo que indica que se generan incrustaciones que pueden llegar a niveles de elevado riesgo para la correcta operación de las calderas, con posibilidades de que se presenten detonaciones en las mismas afectando la seguridad del personal que opera en la planta. El promedio obtenido de alcalinidad de 15 ppm CaCO3 es menor que el límite máximo permisible de 25 ppm CaCO3, cumpliendo este parámetro.

La conductividad del agua desionizada debe ser 0,055 µS/cm [23]. Se obtuvo conductividad promedio de 2 µS/cm; sin embargo, no hay un límite determinado de este parámetro para agua de alimentación a calderas. El contenido de sólidos disueltos aumentó a un promedio de 1,24*10-7 ppm de TDS respecto al efluente del

51

suavizador que fue de 6*10-8 ppm, lo que sugiere que puede haber deficiencias en el proceso de disolución del secuestrante de oxígeno que es un reactivo en polvo.

Para analizar la calidad de purga en la caldera de 300 BHP, se evaluaron los parámetros de pH, temperatura, TDS, conductividad, dureza y la alcalinidad, cuyos resultados se encuentran en la Tabla 8.

Tabla 8. Parámetros de la purga de Caldera 300 BHP

Nº tomas

PURGA 300 BHP

pH inicial

pH (25ºC)

Temperatura (°C)




CaCO3)

1 11.1 10.39 72.6 0.00000249 49.8 100 320

2 10.1 11.36 74.4 0.00000345 69.1 100 280

3 10.6 10.45 73.5 0.0000023 50.2 140 260

4 10.3 10.29 69 0.00000205 41.1 160 320

5 10.48 11.2 74.2 0.00000038 7.8 40 160

6 9.83 11.34 74 0.00000274 54.6 120 260

7 10.93 10.41 73.2 0.00000191 38.2 100 340

8 10.22 10.46 74.1 0.00000076 15.3 40 140

9 10.53 11.25 72.3 0.00000283 36.5 120 240

10 9.9 11.39 73.8 0.00000137 27.5 100 200

11 10.24 10.29 60.3 0.00000155 30.9 80 260

12 10.52 11.21 73.8 0.00000135 32.1 100 300

13 10.31 11.11 74.5 0.00000139 31.5 100 320

14 10.59 11.34 72.1 0.00000259 52.7 140 260

15 10.42 11.24 73.9 0.0000031 42.6 160 320

16 9.81 11.37 73.5 0.00000094 8.5 60 160

17 10.15 10.46 72.4 0.00000142 28.6 100 260

18 10.24 10.54 71.5 0.00000289 32.4 120 200

19 10.35 10.49 74.1 0.00000292 33 120 320

20 10.37 11.34 72.5 0.00000245 42.6 160 300

21 10.5 11.26 72.1 0.00000125 32.4 100 220

22 9.94 11.22 74.8 0.00000041 16.2 40 140

23 10.43 11.39 73.2 0.00000127 38.1 100 320

Promedio 10.34 10.95 72.6 0.00000190 35.29 104 257

Desviación estándar 0.32 0.44 2.97 0.00000089 14.8 36 64

Fuente: Autora

52

Figura 22. pH, TDS, conductividad y alcalinidad de la purga caldera 300 BHP.

En la Tabla 7 y en la Figura 22 se observa que el promedio de pH a 25 °C es de 10,95 con respecto al nivel máximo permisible de 10,5 a 11,8, cumpliendo con el requerimiento. En cuanto a los resultados obtenidos de TDS, conductividad y alcalinidad se encuentran entre de los valores permisibles dentro de la caldera con valores promedios de 1,9*10-6 ppm, 35.29µS/cm y 257 ppm CaCO3

respectivamente. Con lo anterior, la purga de la caldera de 300 BHP se encuentra en buenas condiciones de calidad según los valores permisibles para el agua dentro de las calderas, aún asi, la purga no se podría recircular como agua de alimentación sin un tratamiento previo, también se puede aprovechar el calor de esta purga para precalentar el agua de entrada a la caldera.

53

Los resultados del análisis en el laboratorio a la purga de la caldera 350 se encuentran en la Tabla 9, dónde se tuvo en cuenta parámetros como el pH, temperatura, TDS, conductividad, dureza y la alcalinidad, para determinar la calidad de la purga.

Tabla 9. Parámetros de la purga de Caldera 350 BHP.

Nº tomas

PURGA 350 BHP

pH inicial

pH 2 (25ºC)

Temperatura (°C)




CaCO3)

1 9.83 10.75 73.1 0.00000172 34.1 80 260

2 9.96 10.89 73.7 0.00000207 41.4 140 360

3 10.3 10.81 72.5 0.00000179 35.8 80 280

4 10.1 10.83 73.9 0.0000018 36.0 120 180

5 11.17 10.8 71 0.00000209 41.8 140 380

6 9.78 10.79 67 0.00000174 34.9 80 220

7 10.89 10.71 72.5 0.00000139 28.1 60 280

8 10.78 10.7 72.1 0.00000171 34.1 60 200

9 10.09 10.89 71.5 0.00000115 23.0 80 160

10 10.28 10.87 72.3 0.00000179 35.8 120 360

11 9.7 10.8 63.8 0.00000184 36.6 80 200

12 9.4 10.81 73.1 0.00000115 34.1 80 200

13 9.63 10.77 73.5 0.0000012 36.8 60 260

14 9.55 10.8 73 0.0000012 35.4 80 280

15 10.12 10.85 73.5 0.00000172 32.5 120 200

16 10.98 10.83 73.1 0.0000021 42.1 120 340

17 9.94 10.7 73.4 0.00000131 31.5 60 240

18 9.82 10.85 72.5 0.00000125 31.1 60 260

19 9.87 10.86 72.8 0.0000011 32.6 60 260

20 9.91 10.79 73.4 0.00000123 34.5 60 280

21 9.94 10.84 73.1 0.00000115 32.6 80 200

22 9.99 10.79 73 0.00000121 35.4 80 180

23 11.01 10.7 72.4 0.000002 41.3 120 360

Promedio 10.13 10.80 72.2 0.00000155 34.8 88 258

Desviación estándar 0.50 0.06 2.30 0.00000035 4.4 27 66

Fuente: Autora

54

Figura 23. pH, TDS, conductividad y alcalinidad de la purga caldera 350 BHP

Se observa en la Tabla 9 y la Figura 23 que el pH, los TDS, la conductividad y la

alcalinidad tuvieron como resultados promedio 10,80 a 25ºC, 1,55*10-6 ppm, 34,8

µS/cm y 258 ppm CaCO3 respectivamente, encontrándose dentro de los límites

máximos permisibles como pH de 10,5 a 11,8 a 25ºC, los TDS <3.500 ppm, la

conductividad <7.000 µS/cm y la alcalinidad <700 ppm, es decir, cumple con los

estándares de calidad del agua dentro de las calderas. Por lo tanto esta purga de la

caldera 350 BHP se puede emplear para precalentar el agua de alimentación a las

calderas.

55

7.2.3 Consumo de combustible vs generación de vapor

Para establecer la eficiencia que tiene la caldera en la generación de 1 Kg de vapor por 1 galón de combustible, se tuvo en cuenta información interna que tiene la empresa en el área de servicios industriales, por ello se cuenta con la Tabla 10, siendo para la empresa los rangos de eficiencia establecidos del trabajo que lleva la caldera y cuando este valor supera 45, ésta se considera con buena eficiencia.

Tabla 10. Eficiencia: Kg de vapor generado por galón consumido de combustible.

Fuente: Planta Gloria Colombia

En la Tabla 11 los valores de generación de vapor se toman de los horómetros y se expresan en libras, estos se pasaron a valores de masa (Kg) para hacer un mejor análisis, al igual que el valor del agua se expresó en kilogramos, el cual se toma de los contadores y estos se expresan en m3, teniendo en cuenta el equivalente que 1Kg corresponde a 2,2046 Lb.

La conversión de producción de vapor en la segunda columna de la Tabla 12 de libras a kilogramos de vapor es:

76.250 𝐿𝑏 ×1 𝐾𝑔

2,2046 𝐿𝑏 = 34.587 𝐾𝑔

La conversión de consumo de agua en la tercera columna de la Tabla 12 de m3 a kilogramos de agua es:

50 𝑚3 ×1.000 𝐾𝑔

1 𝑚3= 50.000 𝐾𝑔

En la Tabla 11 se muestra la producción diaria de vapor, consumo de agua y combustible en las calderas, por otro lado la columna de purgas representa para la empresa los valores de las pérdidas o ganancias (- o +) de las purgas los cuales se podrían aprovechar como condensados o en su defecto para aprovechar este calor para calentar el agua de alimentación a la caldera.

Mayor de 45 eficiente

Entre 30 y 45 regular

Menor de 30 ineficiente

EFICIENCIA

56

Tabla 11. Consumos diarios de combustible, generación de vapor, pérdidas de condensados en purgas.

Fuente: Planta Gloria Colombia


mediante el sistema de recirculación de condensados

Se realizó el procedimiento mostrado en la Figura 24 para determinar el aumento en la eficiencia energética de las calderas mediante el sistema de recirculación de condensados:

#

Producción

total (Kg de

vapor)

Consumo

de agua

(Kg)

Purgas

(Kg)

Consumo de

combustible

(Gal)

Kg vapor por

galon de

combustible

1 34.587 50.000 -15.413 1.423 24,3

2 18.804 23.000 -4.196 617 30,5

3 82.361 56.000 26.361 1.503 54,8

4 46.303 52.000 -5.697 1.557 29,7

5 60.416 53.000 7.416 1.460 41,4

6 62.465 52.000 10.465 1.460 42,8

7 63.311 58.000 5.311 1.587 39,9

8 58.235 58.000 235 1.493 39,0

9 51.481 54.000 -2.519 1.377 37,4

10 67.597 53.000 14.597 1.417 47,7

11 61.626 48.000 13.626 1.440 42,8

12 60.592 59.000 1.592 1.587 38,2

13 54.603 46.000 8.603 1.280 42,7

14 53.404 48.000 5.404 1.280 41,7

15 61.183 54.000 7.183 1.440 42,5

16 44.117 52.000 -7.883 1.460 30,2

17 54.130 61.000 -6.870 1.530 35,4

18 57.520 48.000 9.520 1.423 40,4

19 54.507 57.000 -2.493 1.433 38,0

20 51.594 51.000 594 1.413 36,5

21 62.478 60.000 2.478 1.620 38,6

22 23.897 54.000 -30.103 1.453 16,4

23 81.185 49.000 32.185 1.463 55,5

24 43.759 52.000 -8.241 1.403 31,2

25 39.899 50.000 -10.101 1.313 30,4

26 43.238 58.000 -14.762 1.340 32,3

27 41.482 58.000 -16.518 1.507 27,5

28 43.523 83.000 -39.477 1.667 26,1

29 39.296 58.000 -18.704 1.457 27,0

30 49.669 64.000 -14.331 1.580 31,4

Promedio 52.242 53.967 -1.724 1.433 36,4

57

Figura 24. Procedimiento para calcular el aumento de la eficiencia energética

mediante recirculación de condensados.

58


condensados

Fue necesario hallar la presión absoluta, a partir de la presión manométrica y la presión atmosférica de Zipaquirá, como no se tenía un dato de la presión de vapor, entonces la presión absoluta arrojaría ese dato.

Se halló la presión absoluta, tomando la presión manométrica de 150 PSI:

𝑃𝑎𝑏𝑠 = 𝑃𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 𝑃𝑚𝑎𝑛 + 𝑃𝑎𝑡𝑚

Pasar de PSI a KPa:

150 𝑃𝑆𝐼 × 101,3 𝐾𝑃𝑎

14,696 𝑃𝑆𝐼×

1 𝑀𝑃𝑎

1.000 𝐾𝑃𝑎= 1,03 𝑀𝑃𝑎 (𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑚𝑎𝑛𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎)

𝑃𝑎𝑡𝑚 𝑍𝑖𝑝𝑎𝑞𝑢𝑖𝑟á = 75,3 𝐾𝑃𝑎 ×1 𝑀𝑃𝑎

1.000 𝐾𝑃𝑎= 0,0753 𝑀𝑃𝑎

Desarrollando: 𝑃𝑎𝑏𝑠 = 1,03 𝑀𝑃𝑎 + 0,0753𝑀𝑃𝑎

𝑃𝑎𝑏𝑠 = 1,1053 𝑀𝑃𝑎

Suponiendo que el vapor sale a 185 °C a una presión absoluta de 1.1053 MPa, se interpola (Tabla 12 y 13) teniendo en cuenta las tablas de propiedades termodinámicas del agua para vapor sobrecalentado:

Tabla 12. Interpolación de 185 °C (temperatura a la que sale el vapor de las calderas).

A 1.00 MPa A 1.2 Mpa

Temperatura (°C) H(KJ/Kg) Temperatura (°C) H(KJ/Kg)

179,91 2.778,1 187,99 2.784,8

200 2.827,9 200 2.815,9

185 2.790,7 185 2.777,1

Fuente: Tablas de propiedades termodinámicas del agua para vapor sobrecalentado.

Tabla 13. Interpolación de la presión absoluta 1.1053 MPa.

P (MPa) H vapor(KJ/Kg)

1,0 2.790,7

1,2 2.777,1

1,1 2.783,9

Fuente: Tablas de propiedades termodinámicas del agua para vapor sobrecalentado.

59

De la interpolación se obtiene una presión de 1.1053 (MPa) con la entalpía, h, del vapor a la salida de la caldera a 2.783,9 KJ/Kg.

La entalpía, h, del agua de alimentación del agua líquida sólo depende de la temperatura:

ℎ = 83,96 𝐾𝐽

𝐾𝑔 𝑎 20 °𝐶.

Se calculó el calor que recibe el agua:

𝑄 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑚 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 (ℎ 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − ℎ 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛)

Se toma 52.242 Kg/día tomando promedio de la generación de vapor, para hallar el calor que recibe el agua:

𝑄 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 52.242 𝐾𝑔

𝑑í𝑎× (2.783,9

𝐾𝐽

𝐾𝑔− 83,96

𝐾𝐽

𝐾𝑔)

𝑄 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 141.050.265,48 𝐾𝑔

𝑑í𝑎×𝑑í𝑎

24 ℎ×

1 ℎ

3.600 𝑠𝑒𝑔

𝑄 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1.632,53 𝐾𝑊 × 1 𝐵𝐻𝑃

9,81 𝐾𝑊

𝑄 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 166,41 𝐵𝐻𝑃

Ahora es necesario hallar el calor que transfiere la combustión:

𝑄 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 = 𝑃𝐶𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑜𝑖𝑙 ×𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

𝑄 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 = 18.600 𝐵𝑇𝑈

𝐿𝑏×1,055 𝐾𝐽

1 𝐵𝑇𝑈×

1 𝐿𝑏

0,454 𝐾𝑔×1.433 𝑔𝑎𝑙

𝑑í𝑎×3,785 𝐾𝑔

1 𝑔𝑎𝑙

𝑄 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 = 234′434.554,7𝐾𝐽

𝑑í𝑎

Convertir 𝐾𝐽

𝑑í𝑎 a BHP:

𝑄 𝑙𝑖𝑏𝑒𝑟𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 = 234′434.554,7𝐾𝐽

𝑑í𝑎×1 𝑑í𝑎

24 ℎ×

1 ℎ

3.600 𝑠𝑒𝑔

60

𝑄 𝑙𝑖𝑏𝑒𝑟𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 = 2.713,36 𝐾𝑊 ×1 𝐵𝐻𝑃

9,81 𝐾𝑊

𝑄 𝑙𝑖𝑏𝑒𝑟𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 = 276,59 𝐵𝐻𝑃

El calor que transfiere la combustión según el poder calorífico del fuel oíl es de

234’434.554,6 𝐾𝐽

𝑑í𝑎 y este valor se utiliza para hallar la eficiencia energética de las

calderas de la siguiente manera:

Ƞ =𝑄𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑄 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛× 100

Ƞ =166,41 𝐵𝐻𝑃

276,59 𝐵𝐻𝑃× 100

Ƞ = 60,16%

La eficiencia energética obtenida en las calderas de la planta Gloria Colombia es de 60,16%, teniendo en cuenta el calor que recibe el agua y el calor transferido de la combustión (fuel oíl).

7.3.2 Calor transferido al ambiente por el sistema de recirculación de

condensados

La bomba de recirculación de condensados no se encuentra conectada a la tubería de recirculación por lo que esta no se encuentra en uso, por ello tiene una manguera conectada donde se conducen los condensados a la PTAR, con las siguientes especificaciones:

𝑇𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠 = 72 °𝐶 (Se tomará esta misma temperatura para la superficie interior de la tubería de acero al carbón)

𝑇 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 = 40 °𝐶

𝐿𝑚𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒𝑟𝑎 = 7 𝑚

𝐷 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑚𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒𝑟𝑎 = 2 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠

𝐸 𝑚𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒𝑟𝑎 = 5 𝑚𝑚, 𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝐸: 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟.

𝑀𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠 = 24𝑚3

𝑑í𝑎

𝐿 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠 = 146,66 𝑚

61

𝐷 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟í𝑎 = 3 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠

Material de la tubería es en acero al carbón:

𝐷 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛 = 88,9 𝑚𝑚 [24]

𝐸 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 = 7,62 𝑚𝑚 [24]

Figura 25. Radios de la manguera conectada a la bomba de recirculación de condensados. Fuente: Autora

𝑟1 = 0,03683 𝑚 (Radio interno de la tubería)

𝑟2 = 0,04445 𝑚

𝑟3 = 0,069 𝑚 (Aislante en poliuretano)

𝑟4 = 0,07 𝑚 (Radio externo de la tubería)

𝐾1 = 54 𝑊

𝑚 °𝐾 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑏ó𝑛

𝐾2 = 0,029 𝑊

𝑚 °𝐾 𝑃𝑜𝑙𝑖𝑢𝑟𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑒𝑥𝑝𝑎𝑛𝑑𝑖𝑑𝑜

𝐾3 = 209 𝑊

𝑚 °𝐾 𝐴𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜

62

El aislante de la tubería de condensados es en poliuretano expandido con las siguientes características:

𝐷 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝑎𝑖𝑠𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑦 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 = 14 𝑐𝑚

𝐷 𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 = 1 𝑚𝑚

Calor de conducción para un cilindro (𝑄):

𝑄 =2𝜋𝐿𝐾∆𝑇


En este caso se tiene un sistema cilíndrico con 3 resistencias en serie, correspondientes a la tubería de acero al carbón, el recubrimiento aislante de espuma de poliuretano y el aluminio térmico exterior con lo cual se hallará el valor de calor transferido.

Reemplazando valores:

∆𝑇 = 𝑇𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠 − 𝑇 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟

𝑄 =∆𝑇


2𝜋𝐿𝐾1 +


2𝜋𝐿𝐾2+ 𝐼𝑛 (

𝑟4𝑟3)

2𝜋𝐿𝐾3

𝑄 =(72 °𝐶 − 40 °𝐶)

𝐼𝑛 (0,04445 𝑚0,03683 𝑚)

2𝜋 × 146,66 𝑚 × 54𝑊𝑚 °𝐾

+𝐼𝑛 (

0,069 𝑚0,04445 𝑚)

2𝜋 × 146,66 𝑚 × 0,029𝑊𝑚 °𝐾

+𝐼𝑛 (

0,07 𝑚0,069 𝑚)

2𝜋 × 146,66 𝑚 × 209𝑊𝑚 °𝐾

𝑄 = 1.944,197 𝑊

Hallar la temperatura inicial de entrada de los condensados a la manguera (𝑄 𝑚𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒𝑟𝑎):

63

𝑄 𝑚𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒𝑟𝑎 =∆𝑇

𝑅

𝑅 =𝐼𝑛 (

𝑟𝑒𝑥𝑡𝑟𝑖𝑛𝑡)

2𝜋𝐿𝐾

𝑟𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 = 2 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠

𝑟𝑖𝑛𝑡 = 0,0254 𝑚

𝑟𝑒𝑥𝑡 = 0,0335 𝑚

𝐾𝑐𝑎𝑢𝑐ℎ𝑜 = 0,15 𝑊

𝑚 °𝐾

𝐿𝑚𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒𝑟𝑎 = 7𝑚

𝑇𝑖𝑛𝑡 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =𝑇𝑖2+72 °𝐶

2

Igualando ecuación para despejar temperatura inicial (𝑇𝑖):

La siguiente ecuación representa el calor que es transferido a través de la manguera por conducción que es igual al calor que transfiere los condensados en su recorrido por la manguera.

𝑄 𝑚𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒𝑟𝑎 =𝑇𝑖𝑛𝑡 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 − 𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑚𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒𝑟𝑎

𝐼𝑛 (𝑟𝑒𝑥𝑡𝑟𝑖𝑛𝑡)

2𝜋 𝐿𝐾

= 𝑚𝑐𝑜𝑛𝑑 × 𝐶𝑝𝑎𝑔𝑢𝑎 (𝑇𝑖 − 𝑇𝑓)

𝑄 𝑚𝑎𝑛𝑔𝑢𝑒𝑟𝑎 =𝑇𝑖𝑛𝑡 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 − 50 °𝐶

𝐼𝑛 (0,0335 𝑚0,0254 𝑚

)

2𝜋 × 7 𝑚 0,15𝑊𝑚 °𝐾

= 0,28𝐾𝑔

𝑠× 4.184

𝐽

𝐾𝑔 °𝐶× (𝑇𝑖 − 72 °𝐶)

𝑇𝑖 − 14 °𝐶2

0,0419557 °𝐶𝑊

= 𝑊 1.171,52 𝑇𝑖°𝐶− 84.349,44 𝑊

64

𝑇𝑖2− 14 °𝐶 = (1.171,52

𝑇𝑖°𝐶− 84.349,44) × 0,0419557°𝐶

𝑇𝑖2− 14 °𝐶 = 49,1515

𝑇𝑖°𝐶− 3.538,9398 °𝐶

(3.538,9398 − 14)°𝐶 = (49,1515 −1

2)𝑇𝑖

3.524,9398

48,6515 °𝐶 = 𝑇𝑖

72,45 °𝐶 = 𝑇𝑖

Se comprueba que la temperatura inicial (𝑇𝑖) tanto al inicio como al final de la manguera es prácticamente la misma, porque en 7 m de longitud la diferencia de temperatura es menor en 0,45°C, por consiguiente se toma un promedio de temperatura de 72ºC.


almacenamiento en el tanque de condensados

Se halló el calor transferido en la tubería de recirculación de condensados:

𝑄 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠 =(72 °𝐶 − 40 °𝐶)

∑𝑅

𝑄 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠 =29.487,74263 °𝐶

15,167 °𝐶𝑊

𝑄 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠 = 1.944,2 𝑊

Ecuación general del calor transferido:

𝑄𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 = 𝑚𝐶𝑃𝑎𝑔𝑢𝑎∆𝑇

Correspondiente a la disminución de temperatura de los condensados en la tubería hasta llegar al tanque de condensados (∆𝑇):

∆𝑇 =𝑄𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜

𝑚𝐶𝑝𝑎𝑔𝑢𝑎

65

∆𝑇 =1.994,2

𝐽𝑠𝑒𝑔

0,28𝐾𝑔𝑠𝑒𝑔 × 4.184

𝐽𝐾𝑔 °𝐶

∆𝑇 = 1,66 °𝐶

Hallar la temperatura a la cual llegaría el agua al tanque de condensados:

𝑇 𝑙𝑙𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑇𝑓 − ∆𝑇

𝑇 𝑙𝑙𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 72 °𝐶 − 1,66 °𝐶

𝑇 𝑙𝑙𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 70,34 °𝐶


condensados

El incremento de energía aprovechada por recirculación de condensados se calculó como se muestra a continuación:

𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠 = 24.000 𝐾𝑔

𝑑í𝑎

𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 sin 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠 = 60.000 𝐾𝑔

𝑑í𝑎

ℎ𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑎 70,34 °𝐶 = 292,98 𝐾𝐽

𝐾𝑔

ℎ𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑎 20 °𝐶 = 83,96 𝐾𝐽

𝐾𝑔

ℎ𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 = 2.783,9 𝐾𝐽

𝐾𝑔

Calor requerido para evaporar el agua de alimentación:

𝑄 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 (ℎ 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − ℎ 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛)

Debido a que se requiere ingresar menos agua de alimentación a 20°C por recirculación de los condensados, el calor requerido para evaporar esta agua de alimentación es:

𝑄 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎 20°𝐶 = (60.000 − 24.000)𝐾𝑔

𝑑í𝑎∗ (2.783,9 − 83,96)

𝐾𝐽

𝐾𝑔= 97′197.840

𝐾𝐽

𝑑í𝑎

66

El calor para evaporar el agua recirculada de los condensados es:

𝑄 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎 70,34°𝐶 = 24.000𝐾𝑔

𝑑í𝑎∗ (2.783,9 − 292,98)

𝐾𝐽

𝐾𝑔= 59′782.080

𝐾𝐽

𝑑í𝑎

𝑄 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = (97′197.840 + 59′782.080) 𝐾𝐽

𝑑í𝑎= 156′979.920

𝐾𝐽

𝑑í𝑎

El calor requerido para evaporar el agua en la caldera, si no se recirculan los condensados, es:

𝑄 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎 20°𝐶 = 60.000𝐾𝑔

𝑑í𝑎∗ (2.783,9 − 83,96)

𝐾𝐽

𝐾𝑔= 161′996.400

𝐾𝐽

𝑑í𝑎

Por consiguiente, el ahorro de energía por recircular los condensados, teniendo en cuenta que la eficiencia de la caldera es de 60,16%, es:

𝐷𝑖𝑠𝑚𝑖𝑛𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑄 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎

= (161´996.400 − 156´979.920)𝐾𝐽

𝑑í𝑎∗ 0,6146 = 3′083.128,6

𝐾𝐽

𝑑í𝑎

7.3.5 Aumento de la eficiencia energética de las calderas por recirculación

de condensados

Entonces, el aumento de la eficiencia energética de las calderas por recircular los condensados, se calculó mediante la relación entre la disminución del calor requerido por recirculación de condensados y el calor transferido por la combustión, como se muestra a continuación:

𝐴𝑢𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 =3′083.128,6

𝐾𝐽𝑑í𝑎

234′434.554,7𝐾𝐽𝑑í𝑎

∗ 100 = 1,31%

La diferencia de energía dio 3.083.128,6 𝐾𝐽

𝑑í𝑎, por lo que este valor corresponde a la

cantidad de energía que la empresa se ahorraría al realizar la recirculación de condensados, por consiguiente se requeriría menor cantidad de combustible en el proceso.

El porcentaje de energía que se ahorraría al disminuir el consumo de fuel oíl:

𝐸 𝑎ℎ𝑜𝑟𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑜𝑖𝑙 = 1,31%

67

El ahorro económico de combustible es:

1.434𝑔𝑎𝑙

𝑑í𝑎× 0,0131 = 18,7854

𝑔𝑎𝑙

𝑑í𝑎

18,7854𝑔𝑎𝑙

𝑑í𝑎×$ 4.070

𝑔𝑎𝑙

= $ 76.456,6 / 𝑑í𝑎

= $ 2′293.697,34 / 𝑚𝑒𝑠

= $ 27′524.368,1 / 𝑎ñ𝑜

Se reitera la importancia de realizar la recirculación de los condensados constantemente, pues inicialmente el dato de ahorro en el combustible es bastante alto ($27’524.368,1 al año) y este costo se podría invertir en mejoras del sistema para hacerlo más eficiente.

El ahorro de agua que se tendría al recircular los condensados sería de:

𝐴ℎ𝑜𝑟𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 24 𝑚3

𝑑í𝑎

𝐴ℎ𝑜𝑟𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 720 𝑚3

𝑚𝑒𝑠

𝐴ℎ𝑜𝑟𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 8.640 𝑚3

𝑎ñ𝑜

Económicamente la planta no paga por el consumo de agua que se consume en el área de las calderas, sin embargo el ahorro de agua es de un 40%, por lo cual los favorece como industria, pero especialmente al ecosistema y a la población que requiere y hace uso de este recurso hídrico tan importante para su desarrollo y supervivencia.


Hallando el número de Reynolds:

𝑅𝑒 =𝐷 × 𝑣 × 𝑝

𝜇

68

Donde:

𝑅𝑒 = 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠

𝐷 = 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜

𝑣 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜

𝑝 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜

𝜇 = 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜

Despejando velocidad:

𝑣 =𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙

Á𝑟𝑒𝑎

Á𝑟𝑒𝑎 = 𝜋 × 𝑟2

𝑄 𝑝𝑟𝑜𝑚 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠 = 0,28 𝐿

𝑠𝑒𝑔

𝑟 = 0,03683 𝑚

𝑣 =(0,28

𝐿𝑠𝑒𝑔)

𝜋 × (0,03683 𝑚)2×1 𝑚3

1.000 𝐿

𝑣 = 0,0657 𝑚

𝑠𝑒𝑔

Se reemplazó en la ecuación de número de Reynolds el valor interpolado de la temperatura a 72 °C, para hallar la viscosidad:

Tabla 14. Interpolación de temperatura 72 °C y viscosidad.

Temperatura (°C) Viscosidad (𝒎𝟐 𝒔𝒆𝒈⁄ )

70 0,415

75 0,390

72 0,405 × 10−6 = (4,05× 10−7)

69

𝑅𝑒 =(0,0657

𝑚𝑠𝑒𝑔) × (2 × 0,03683 𝑚)

4,05 × 10−7𝑚2

𝑠𝑒𝑔

𝑅𝑒 = 11.949,28

Con esto se evidencia que el tipo de flujo que mantiene el fluido (condensado) es de régimen turbulento, porque es mayor a 4.000, es decir, que va a grandes velocidades [25].

Reemplazando valores para hallar rugosidad relativa:

𝑅 𝑟𝑒𝑙 =∈

𝐷

𝑅 𝑟𝑒𝑙 =0,046 𝑚𝑚

36,83 𝑚𝑚

𝑅 𝑟𝑒𝑙 = 0,0012

Empleando el diagrama de Moody con el valor de 𝑅𝑒 y el valor de ∈

𝐷, se halla el factor

de fricción (𝑓):

𝑓 = 0,02

Con este valor de 𝑓, se hallan las pérdidas por tuberías:

ℎ𝑓 = 𝑓 ×𝐿

𝐷×𝑣2

2𝑔

ℎ𝑓 = 0,02 ×146,66 𝑚

0,07366 𝑚×(0,0657

𝑚𝑠𝑒𝑔)

2

2 × 9,81 𝑚𝑠𝑒𝑔2

ℎ𝑓 = 8,76 × 10−3 𝑚

Hallando la potencia de la bomba (𝑊𝐵):

𝑚 𝑝𝑟𝑜𝑚 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠 = 0,28 𝐿

𝑠𝑒𝑔

𝑔 = 9,81𝑚

𝑠𝑒𝑔2

70

𝑍 = 7,6 𝑚

(𝑊𝐵) = 𝑚 × 𝑔 × 𝑍

(𝑊𝐵) = 0,28 𝐿

𝑠𝑒𝑔× 9,81

𝑚

𝑠𝑒𝑔2× 7,6 𝑚

(𝑊𝐵) = 20,875 𝑁 ∗ 𝑚

𝑠= 20,875 𝑊

(𝑊𝐵) = 20,875 𝐽/𝑠𝑒𝑔

Hallando las pérdidas localizadas a partir del número de codos:

𝐾𝑐𝑜𝑑𝑜𝑠 = 0,9

ℎ𝑣 = 𝐾(𝑣2

2𝑔)

ℎ𝑣 = 0,9 ×

(

(0,0657

𝑚𝑠𝑒𝑔)

2

2 × 9,81 𝑚𝑠𝑒𝑔2 )

ℎ𝑣 = 1,98 × 10−4𝑚

Multiplicando el valor de pérdidas por la cantidad de codos en el recorrido de la tubería de recirculación de condensados hacían el tanque:

ℎ𝑣 = 1,98 × 10−4𝑚 × 21 𝑐𝑜𝑑𝑜𝑠

ℎ𝑣 = 4,158 × 10−3𝑚

Hallando pérdidas singulares de codos, válvulas de globo y entrada al tanque de condensados:

ℎ𝑣𝑠𝑖𝑛𝑔 = (#𝑐𝑜𝑑𝑜𝑠 × 𝐾 (𝑣2

2𝑔)) + (#𝑣á𝑙𝑣𝑢𝑙𝑎𝑠 × 𝐾 (

𝑣2

2𝑔)) + (𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 (

𝑣2

2𝑔))

71

ℎ𝑣𝑠𝑖𝑛𝑔 =

(

21 × 0,9

(

(0,0657

𝑚𝑠𝑒𝑔

)2

2 × 9,81 𝑚𝑠𝑒𝑔2 )

)

+

(

24 × 10

(

(0,0657

𝑚𝑠𝑒𝑔

)2

2 × 9,81 𝑚𝑠𝑒𝑔2 )

)

+

(

0,5 ×

(

(0,0657

𝑚𝑠𝑒𝑔

)2

2 × 9,81 𝑚𝑠𝑒𝑔2 )

)

ℎ𝑣𝑠𝑖𝑛𝑔 = 0,057 𝑚

Se obtiene que las pérdidas singulares por accesorios es de 0,057 𝑚.

Hallando pérdidas totales:

ℎ 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 = ℎ𝑓 + ℎ𝑣𝑠𝑖𝑛𝑔

ℎ 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 = 8,76 × 10−3 𝑚 + 0,057 𝑚

ℎ 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 = 0,066 𝑚

El total de las pérdidas en el recorrido de los condensados es de 0,066 m.

Se halla la potencia de la bomba, teniendo la altura total de la tubería:

𝑔 = 9,81𝑚

𝑠𝑒𝑔2

𝐻 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 + 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠

𝐻 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 7,6 𝑚 + 0,066 𝑚

𝐻 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 7,666 𝑚

𝑚 𝑝𝑟𝑜𝑚 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠 = 0,28 𝐿

𝑠𝑒𝑔

(𝑊𝐵) = 𝑚 × 𝑔 × 𝐻 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

(𝑊𝐵) = 0,28 𝐿

𝑠𝑒𝑔× 9,81

𝑚

𝑠𝑒𝑔2 × 7,666 𝑚

(𝑊𝐵) = 21,0569 𝑁 ∗ 𝑚

𝑠= 21,0569 𝑊

72

(𝑊𝐵) = 21,0569 𝐽/𝑠𝑒𝑔

El costo de energía eléctrica que consume la bomba, pagando $599/KWH, operando 24 horas diarias, durante un año es:

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 = 21,06 𝑊 ×$599

𝐾𝑊𝐻×1 𝐾𝑊

1.000 𝑊×24 𝐻

𝑑í𝑎×365 𝑑í𝑎𝑠

𝑎ñ𝑜=$110.490,6

𝑎ñ𝑜

A partir de los resultados obtenidos, se observa que de la temperatura de salida de los condensados cambia muy poco a través del sistema de recirculación de los mismos para ingresar al tanque de almacenamiento, variando solamente de 72°C a 70,34°C, considerando que la longitud de la tubería es de 146,7 m, lo que muestra que es suficiente el sistema de aislamiento utilizado.

El incremento de la eficiencia energética de las calderas es de 60,16% a 61,47% que implica menor consumo de agua y de combustible y los ahorros en costos implícitos por la recirculación de condensados, lo que contribuye al cumplimiento de la política nacional respecto al ahorro y uso eficiente de agua y energía, disminuyendo el agotamiento del recurso hídrico y la generación de gases de efecto invernadero generados por la combustión del fuel oil, que además, está en desuso por ser uno de los combustibles para calderas más contaminantes por emisiones.

La potencia requerida de la bomba es relativamente baja, teniendo en cuenta que el caudal de condensados es de 0,28 L/s, lo que a su vez genera relativamente pequeñas pérdidas por fricción.

7.3.7 Aumento de la eficiencia energética si se eliminaran las purgas

Si se mejorara el tratamiento del agua, se podrían disminuir las purgas realizadas a las calderas, que son necesarias cuando se tienen elevadas concentraciones de dureza, alcalinidad y conductividad del agua. A continuación se evalúa el incremento de la eficiencia energética si se eliminaran totalmente las purgas.

Se halló el potencial de aumento de eficiencia de las calderas si se eliminaran las purgas, donde 1.724 Kg/día es el promedio correspondiente a éstas:

𝑃 sin 𝑝𝑢𝑟𝑔𝑎𝑠 = 𝑚𝑝𝑢𝑟𝑔𝑎𝑠(ℎ𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − ℎ𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛)

𝑃 sin 𝑝𝑢𝑟𝑔𝑎𝑠 = 1.724 𝐾𝑔

𝑑í𝑎× (2.783,9

𝐾𝐽

𝐾𝑔− 83,96

𝐾𝐽

𝐾𝑔)

𝑃 sin 𝑝𝑢𝑟𝑔𝑎𝑠 = 4′654.696,56 𝐾𝐽

𝑑í𝑎× (1 𝑑í𝑎

24 ℎ×

1 ℎ

3.600 𝑠𝑒𝑔)

73

𝑃 sin 𝑝𝑢𝑟𝑔𝑎𝑠 = 53,87 𝐾𝑊 ×1 𝐵𝐻𝑃

9,81 𝐾𝑊

𝑃 sin 𝑝𝑢𝑟𝑔𝑎𝑠 = 5,49 𝐵𝐻𝑃

El potencial de aumento energético por la eliminación de las purgas es del 4’654.696,56 KJ/día (875,49 BHP).

Con el valor anterior se halló la eficiencia energética de la caldera, teniendo en cuenta el calor que recibe el agua (𝑄 𝑎𝑔𝑢𝑎), el potencial de aumento energético del calor que transfiere la combustión por eliminación de purgas (𝑃 sin 𝑝𝑢𝑟𝑔𝑎𝑠) y el calor que transfiere la combustión del fuel oil (𝑄 𝑙𝑖𝑏𝑒𝑟𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛):

Ƞ1 =𝑄 𝑎𝑔𝑢𝑎 + 𝑃 sin 𝑝𝑢𝑟𝑔𝑎𝑠

𝑄 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛

Ƞ1 =(166,41 𝐵𝐻𝑃 + 5,49 𝐵𝐻𝑃)

276,59 𝐵𝐻𝑃 × 100

Ƞ1 = 62,15 %

Teniendo como resultado una eficiencia total del 62,15%.

Por lo que el aumento en la eficiencia energética de la caldera es de:

= (62,15 % − 60,16 %)

= 1,99 %

Para hallar la cantidad de Kg de vapor producidos por galón de fuel oíl, es necesario

tener en cuenta que el calor que debe recibir el agua de la caldera es de una

eficiencia del 76% [26], por lo que este valor corresponde a la eficiencia promedio

esperada en una caldera de este tipo (piro-tubular) y en base en la Tabla 10, donde

se considera una buena eficiencia si se obtienen 45 Kg de vapor por galón de fuel

oíl.

𝑄 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 = 234′434.554,7𝐾𝐽

𝑑í𝑎

74

𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 76% = 0,76 × 234′434.554,7𝐾𝐽

𝑑í𝑎

𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 76% = 178′170.261,6𝐾𝐽

𝑑í𝑎

El calor transferido por la combustión es de 178.170.261,6 KJ/día y con este valor se halló la cantidad de vapor que se genera:

𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 =𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 76%

(ℎ𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 − ℎ𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛)

𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 =178′170.261,6

𝐾𝐽𝑑í𝑎

2.699,94 𝐾𝐽𝐾𝑔

𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 = 65.990,45 𝐾𝑔

𝑑í𝑎 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

A partir del consumo promedio de combustible, se hallan los kilogramos de vapor por kilogramos de fuel oíl producidos, según la operación actual de las calderas en la planta:

=1.433 𝑔𝑎𝑙

𝑑í𝑎×3,785 𝐾𝑔

1 𝑔𝑎𝑙= 5.423,905

𝐾𝑔

𝑑í𝑎

𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟 𝑔𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑜𝑖𝑙 =65.990,45 𝐾𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

5.423,905 𝐾𝑔𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑜𝑖𝑙

𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟 𝑔𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑜𝑖𝑙 = 12,17𝐾𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

𝐾𝑔𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑜𝑖𝑙

La cantidad de Kg vapor / galón fuel oíl producidos deberían ser:

= 12,17𝐾𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

𝐾𝑔𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑜𝑖𝑙×3,785 𝐾𝑔

1 𝑔𝑎𝑙

75

= 46,05 𝐾𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

𝑔𝑎𝑙

Para tener una eficiencia correcta en el manejo de las calderas se debe generar

46,05 𝐾𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

𝑔𝑎𝑙, lo cual corresponde al valor esperado de 45 Kg de vapor por galón de

fuel oil, especificado en la Tabla 10, evitando perdidas de energía.

Como está en la planta:

=52.242

𝐾𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑í𝑎

1.433𝑔𝑎𝑙 𝑑í𝑎

= 36,456 𝐾𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

𝑔𝑎𝑙 𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑜𝑖𝑙

Teniendo en cuenta la eficiencia energética de 60,16%, la planta puede incrementar

la producción de vapor en las calderas de 36,46 𝐾𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

𝑔𝑎𝑙 𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑜𝑖𝑙 a 46,05

𝐾𝑔𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

𝑔𝑎𝑙 𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑜𝑖𝑙 ,

debida a un aumento en la eficiencia a 62,15%, por lo que es de gran importancia implementar la mejora del tratamiento del agua para disminuir la frecuencia de las purgas.

76

8 CONCLUSIONES

El suavizador conformado por las resinas de intercambio iónico, merece especial atención, ya que el contenido de iones metálicos genera incrustaciones en las calderas, que pueden afectar seriamente la seguridad industrial del personal que labora en la planta, por posibilidad de presentar detonaciones que pueden conllevar a la ruptura de las calderas, debido a que la dureza del agua de alimentación a las mismas es de 20 ppm CaCO3 y el límite máximo permisible es de 2 ppm CaCO3.

El agua de los condensados presenta valores fuera de límites permisibles de pH, dureza y alcalinidad, que puede estar relacionado con el estado de las resinas de intercambio iónico del suavizador, ya sea por su deficiente operación de regeneración o porque están agotadas y deben cambiarse, evaluación que debe realizar la empresa. Otra alternativa es realizar tratamiento a los condensados con resinas de intercambio iónico, debido a que los procesos de coagulación contienen metales quedando disueltos parte de éstos en el agua.

El agua de las purgas, a pesar de que sus parámetros físico químicos se encuentran dentro de límites permisibles según calidad requerida para agua dentro de las calderas, no se pueden utilizar para alimentación a las mismas por contener elevadas concentraciones de dureza y alcalinidad. Para su posible reutilización en las calderas, se requiere tratamiento adicional, que sería objeto de otro estudio.

El incremento de la eficiencia energética de las calderas por recirculación de condensados, a pesar de ser sólo de 1,31% desde 60,16% hasta 61,47%, genera ahorros anuales significativos de agua de 8.640 m3/año, que corresponden a disminución de consumo de 40%, y de fuel oíl como combustible de 7.008 galones/año que representan $27.524.368,1 /año. El ahorro económico de agua no se halló porque la empresa no paga mensualidades por este servicio que capta de una fuente hídrica.

El aumento de la eficiencia energética de las calderas por eliminación de purgas, que se alcanzaría con eficiente tratamiento del agua, sería del 1,99%, que representa el 62,15% de ahorro energético, siendo más significativo aún que el sistema de recirculación de condensados. Sin embargo, las purgas no se pueden eliminar totalmente, pero este resultado muestra que bien merece atención el estudio de la posibilidad de reducir la frecuencia diaria de las purgas, mediante el mejoramiento del tratamiento del agua de alimentación a las calderas.

El bajo consumo de energía de la bomba para recirculación de condensados, reflejado en la baja potencia obtenida de 20 W, muestra que el consumo de energía eléctrica de la bomba es relativamente bajo, de $110.490,6/año, comparado con el ahorro de combustible.

Estos resultados se socializaron en la planta y al ver los valores obtenidos de ahorro tanto de agua como combustible, se implementó este proyecto con la adquisición

77

de una nueva bomba y un nuevo tanque de almacenamiento en acero inoxidable, en este último se verificó la temperatura de llegada de los condensados a 70,34ºC. Por lo anterior, las contribuciones realizadas a la empresa son importantes, ya que lograr mejoran la operación de la planta y favorece al recurso hídrico, a la disminución de gases emitidos a la atmosfera al disminuir el consumo0 de fuel oíl y el bajo consumo de energía eléctrica.

8.1 Recomendaciones

El agua de las purgas se puede aprovechar para el precalentamiento del agua de entrada a las calderas, por medio de un intercambiador de calor, de esta manera será más fácil tratar de agua de purga en la PTAR, ya que está a una temperatura baja.

Se aconseja cambiar el combustible fuel oíl por gas, ya que este necesita menos exceso de aire y a su vez este emite menos contaminantes a la atmosfera.

Su puede aprovechar la temperatura de los gases para precalentar el agua por medio de economizadores, teniendo en cuenta que a menor temperatura de los gases en la chimenea es más fácil capturar el material particulado.

78

9 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, «Diario Oficial 49242,» Bogotá,

2014.

[2] ICONTEC Internacional, «Norma técnica NTC Colombiana NTC-ISO 50001,»

ICONTEC, Bogotá, 2011.

[3] Unidad de Planeación Minero Energética (UPME), «Plan de acción indicativo

de eficiencia energética 2017 - 2022,» UPME, Bogotá, 2016.

[4] Revista Mexicana de Ciencias Agrícolas, «Diseño de recirculación y

enfriamiento del agua para la destilación del mezcal Magdaleno Caballero,»

Revista Mexicana de Ciencias Agrícolas, nº 4, pp. 774 - 784, 31 Diciembre

2012.

[5] S. A. RAMIREZ FORERO, Propuesta de gestión ambiental para la reducción

de cosumo de agua dentro del proceso de producción de la planta procesadora

de leche U.H.T y pasteurizada Colanta, Bogotá: USTA, 2012.

[6] M. MARTÍNEZ HERRANZ, Tesis de Máster: Sistema de Recuperación de

Condensados de una Línea de Decapado de Bobinas Laminadas en Caliente,

Valencia, 2009.

[7] Algarra - Gloria Colombia, «Algarra,» Copyright, 2015. [En línea]. Available:

http://algarra.com.co/nuestra-compania/ . [Último acceso: 27 Junio 2017].

[8] Grupo Gloria Colombia, «Gloria Colombia,» Copyright, 2017. [En línea].

Available: http://www.grupogloria.com/algarra.html . [Último acceso: 27 Junio

2017].

[9] Gloria Colombia S.A., Logo Gloria Colombia, Bogotá: Copyright, 2015.

[10] N. R. ALVAREZ GONZÁLEZ, EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA RED DE

DISTRIBUCIÓN DE VAPOR A TRAVÉS DE LA RECUPERACIÓN DEL

CONDENSADO EN UNA INDUSTRIA DE ALIMENTOS, Ciudad de

Guatemala: Universidad de San Carlos de Guatemala, 2016, p. 249.

[11] J. E. y. M. F. A. D. P. SÁNCHES RAMÍREZ, ANALISIS DEL SISTEMA DE

RECUPERACION DE CONDENSADO EN LAS AREAS DE VAPOR Y

ENERGIA DEL COMPLEJO INDUSTRIAL DE BARRANCABERMEJA,

Bucaramanga: Universidad Industrial de Santander, 2005.

79

[12] THERMAL ENGINEERING LTDA, «ANÁLISIS DE EFICIENCIA EN

CALDERA,» Santiago de Chile, 2017.

[13] ICONTEC, «Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación

(ICONTEC),» ICONTEC, Bogotá, 1996.

[14] «TRATAMIENTO DE AGUAS PARA CALDERAS,» THERMAL

ENGIEEERING LTDA., vol. 2, nº 2133, pp. 1 - 18.

[15] Compañia Especialista en Vapor, «Compañia Especialista en Vapor,» TLV

2017, 2017. [En línea]. Available: https://www.tlv.com/global/LA/steam-

theory/types-of-steam.html. [Último acceso: 16 Noviembre 2017].

[16] ICONTEC, «UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA,» 10 Mayo 1995. [En línea].

Available:

http://ingenieria.udea.edu.co/isa/normas_decretos/norma%20muestreo.pdf .

[Último acceso: 22 Junio 2017].

[17] International Organization for Standardization, «ISO,» Junio 2011. [En línea].

Available: https://www.iso.org/standard/51297.html. [Último acceso: 06

Octubre 2017].

[18] DÍAZ DE SANTOS, Métodos noamalizados para el análisis de aguas potables

y residuales, Madrid: APHA, AWWA, WPCF., 1997.

[19] SOGECAL, «SOGECAL,» [En línea]. Available: https://www.sogecal.com/mnk-

2h-caldera-de-vapor-kestahl-de-2-hogares/. [Último acceso: 18 Junio 2018].

[20] CONSEJERÍA DE ECONOMÍA Y HACIENDA COMUNIDAD DE MADRID,

CALDERAS INDUSTRIALES EFICIENTES, Madrid: Fenercom, 2012.

[21] DISIN S.A., MANUAL DE INSTALACIÓN, OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

SUAVIZADOR DE INTERCAMBIO IÓNICO CATIÓNICO, Bogotá D.C.: Disin,

2006.

[22] BEH, «Bombas y Equipos Hidroneumáticos,» [En línea]. Available:

http://beh.com.mx/tratamiento.html. [Último acceso: 18 Junio 2018].

[23] REITEC, «REITEC,» [En línea]. Available:

http://www.reitec.es/Pdf/agua01.pdf. [Último acceso: 20 Junio 2018].

[24] GRUPO VEMACERO, «VEMACERO,» 2009. [En línea]. Available:

http://www.vemacero.com/Tablas/A53MP.pdf. [Último acceso: 3 Octubre

2017].

80

[25] A. M. Canut Noval, F. J. Guerra Millán y B. &. S. G. A. .. Guzmán Piazza,

«Número de Reynolds,» UNIVERSIDAD IBEROAMERICANA, México, 2008.

[26] J. &. S. C. G. Armijo C., «AHORRO DE ENERGÍA EN UNA CALDERA

UTILIZANDO ECONOMIZADORES,» de AHORRO DE ENERGÍA EN UNA

CALDERA UTILIZANDO ECONOMIZADORES, Perú, 2008, pp. 42- 46.

[27] HANNA instruments, «HANNA instruments,» [En línea]. Available:

http://www.hannacolombia.com/productos. [Último acceso: 3 Abril 2017].

[28] HANNA instruments, «HANNA instruments,» [En línea]. Available:

http://www.hannainst.es/catalogo-productos/test-kits. [Último acceso: 3 Abril

2017].

I

ANEXOS

En los anexos A, B y C se muestran los equipos que se encontraban en producción al momento en que se hacían los

aforos a los condensados en cada una de las áreas de la planta.

Anexo A. Equipos del área de UHT que se encontraban en producción en el momento que se realizó los aforos a

los condensados.

Producción Producción Producción Producción Producción Producción Producción Producción Producción Producción Producción Producción

X X X X X X X X X X X

X X X X X X X X X

X X X X X X X X X

X X X X X X X X

X X X X X X X X


X X X X X X X X X


X X X X

X X X X X X

X X X X X X X

X X X X X X X

X X X X X X X X X

X X X X X X X X X

X X X X X X X X X

X X X X X


X X X X X X X

X X X X X X X X X X X X

X X X X X X X X X X

X X X X X X X X X

X X X X X X X X X X

UHT

TBA 1 COMPACT EDGE TANQUE ASEPTICO 1 TANQUE ASEPTICO 2 TANQUE ASEPTICO 3 TANQUE ASEPTICO 4 ALDOSETHIMONIER 1 THIMONIER 2 THIMONIER 3 THIMONIER 4

II

Anexo B. Equipos del área de pasteurización que se encontraban en producción en el momento que se realizó los

aforos a los condensados.

Producción Producción Producción Producción Producción Producción Producción

X X

X X X X

X X

X X X X X X

X X X X X X

X X X

X X X X

X X X X

X X X

X X X

X X X

X X

X

X X X

X X X X

X X

X X X

X X X X X X

X X X

X X

X X X X

X X X

PASTEURIZACIÓN

PASTEURIZADOR 4PASTEURIZADOR 1 PASTEURIZADOR 2 PASTEURIZADOR 3 PASTEURIZADOR 5 FLEX 1 FLEX 2

III

Anexo C. Equipos del área de derivados, mezclas y cestillos que se encontraban en producción en el momento que se realizó los aforos a los condensados.

Producción Producción Producción Producción Producción

X X

X

X X

X

X

X X

X X X X

X X X

X

X X X

X X X X

X

X X X

X

X X

X X

X X X

X X X

DERIVADOS MEZCLAS CESTILLOS

MARMITA LAVADORA DE CESTILLOSERCA PASTEURIZADORTRIBLENDER

IV

Anexo D: Equipos utilizados en el laboratorio

La Figura D-1 muestra el termómetro de bolsillo de alta precisión (T° min: 30 °C –

150 °C) con el que se midió la temperatura de los cuatro (4) tipos de agua, donde

únicamente es encenderlo y colocarlo dentro del agua de condensados, esperar

unos segundos hasta que el equipo muestre el valor de temperatura el cual tiene el

agua.

Figura D-1. Termómetro de bolsillo.

Fuente: [27].

Para medir el pH en el agua de condensados se midió con un equipo portátil (Figura D-2), donde únicamente se introduce el pH metro en la muestra de agua y se deja por unos segundos hasta que arroja en valor de pH [27].

Figura D-2. Equipo pH metro portátil.

Fuente: [27]

V

La dureza se tomó con un kit portátil (HI3812) como se muestra en la Figura D-3 [28]:

Figura D-3. Kit de dureza.

Fuente: Autora

La alcalinidad se midió con un kit portátil (Figura D-4), teniendo en cuenta que esta alcalinidad es de valores bajos [28]:

Figura D-4. Kit de alcalinidad.

Fuente: Autora

VI

En la Figura D-5 y D-6 se evidencia el resultado de realizar los analisis en el laboratorio de dureza (azul) y alcalinidad (primero rosa y luego verde.

Figura D-5. Resultado de la muestra de dureza.

Fuente: Autora

Figura D-6. Pasó a paso de la alcalinidad.

Fuente: Autora

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AUMENTO DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LAS CALDERAS