AHORRO Y USO RACIONAL DE LA ENERGIAEN LA INDUSTRIA DIRIGIDO A LAS
"MIPYMES"- EN EL TEMA DE LA ENERGIATERMICA E HIDRAULICA.
"JORNADA TECNOLOGICA"
PRESENTADO POR:
ING. JESUS IGNACIO TORRES PEÑA.
BOGOTA, D.C.- COLOMBIA.AGOSTO DE 2003.
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INDICE DE DESARROLLO TEMATICO.
1.0 COMBUSTION
1.1 INTRODUCCION.
1.2 TIPOS DE COMBUSTIBLES.
1.3 REACCION TIPICA DE LOS COMBUSTIBLES.
1.4 EFICIENCIA DE LA COMBUSTION.
1.5 PARAMETROS GENERALES PARA EL USO RACIONAL DE LAENERGIA DE COMBUSTION.
2. ENERGIA TERMICA DEL VAPOR Y CALDERAS.
2.1 INGENIERIA DEL VAPOR.
2.1.1 DEFINICION DEL VAPOR.
2.1.2 PRODUCCION DEL VAPOR.
2.1.3 PRESION VOLUMEN Y CALIDAD DEL VAPOR.
2.1.4 GENERACION DEL VAPOR .
2.1.5 CONDENSACION DEL VAPOR.
2.2 CLASIFICACION DE LAS CALDERAS.
2.2.1 EFICIENCIA TERMICA DE LA COMBUSTION EN LAS CALDERAS.
2.2.2 FOCOS DE PERDIDA DE CALOR EN LAS CALDERAS.
2.2.3 ANALISIS DE LAS PERDIDAS Y AHORRO DE ENERGIA.
2.2.4 SOLUCIONES PARA LA REDUCCION DE LAS PERDIDAS DEENERGIA EN LAS CALDERAS.
3. REDES PARA LA DISTRIBUCION DEL VAPOR.
3.1 INTRODUCCION, DEFINICION Y COMPONETES DE LAS REDES.
3.2 TRAMPAS DE VAPOR .
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3.3 TIPOS DE TRAMPAS DE VAPOR.
3.4 FOCOS DE PERDIDAS DE ENERGIA EN LAS REDES DEDISTRIBUCION DE VAPOR.
3.5 SOLUCIONES PARA LA REDUCCION DE LAS PERDIDAS DEENERGIA EN LAS REDES DE VAPOR Y SUS COMPONENTES.
4. SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDO.
4.1 INTRODUCCION Y DEFINICION DEL AIRE COMPRIMIDO.
4.2 TIPOS DE COMPRESORES.
4.3 DEFINICIONES TECNICAS DE PRESION, VOLUMEN Y POTENCIAEN AIRE COMPRIMIDO.
4.4 SELECCIÓN DEL COMPRESOR.
4.5 COSTO REAL DEL AIRE COMPRIMIDO.
4.6 EL SISTEMA DE DISTRIBUCION DE AIRE COMPRIMIDO Y SUSCOMPONETES.
4.7 RENDIMIENTO DEL SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO.
4.8 FOCOS DE PERDIDAS POR FUGAS Y EVALUACION DE ESTAS.
4.9 RECUPERACION DE ENERGIA TERMICA EN UN SISTEMA DE AIRECOMPRIMIDO.
5. ESTACIONES DE BOMBEO Y REDES HIDRAULICAS.
5.1 INTRODUCCION.
5.2 DEFINICION Y FUNCION DE LA BOMBA HIDRAULICA.
5.3 TERMINOLOGIA DE LAS REDES HIDRAULICAS.
5.4 CLASIFICACION DE LAS BOMBAS.
5.5 CURVAS DE RENDIMIENTO DE LAS BOMBAS.
5.6 PERDIDAS HIDRAULICAS EN LAS TUBERIAS.
5.7 MEDIDAS PRACTICAS A TOMAR PARA EL AHORRO DE ENERGIAEN BOMBAS Y TUBERIAS.
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6. MANTENIMIENTO INDUSTRIAL.
6.1 OBJETIVOS Y FUNCIONES DE LA INGENIERIA DEMANTENIMIENTO.
6.2 ACTIVIDADES Y RESPONSABILIDAD DEL MANTENIMIENTO.
6.3 TIPOS DE MANTENIMIENTO Y TERMINOLOGIA.
6.4 INDICES DE MEDIDA DEL MANTENIMIENTO.
6.5 LAS ORDENES DE TRABAJO.
6.6 LA PROGRAMACION DEL MANTENIMIENTO.
6.7 CONSECUENCIAS ECONOMICAS POR LA INEFICIENCIA DELMANTENIMIENTO.
6.8 EFECTOS PRACTICOS DE PERDIDAS DE ENERGIA POR UN MALMANTENIMIENTO.
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1.0 COMBUSTION.
1.1 INTRODUCCION.
La Combustión es uno de los procesos unitarios mas estudiados en donde se
realiza la oxidación del carbono, el hidrógeno y el azufre de una sustancia a
través de la reacción directa con el oxigeno y con un notable desprendimiento
de calor .
CxHySz + (O)2 Oxidos de carbono (CO)2 ,(CO)
Agua(H2O), Oxidos de azufre.
Sustancias intermedias.
Calor de Combustión.
1.2 TIPOS DE COMBUSTIBLES.
Los combustibles pueden clasificarse a través del estado en que estos se
encuentran, es decir:
• SOLIDOS : Madera, Turba, Lignito, Carbón.
• LIQUIDOS : ACPM. Querosene, Gasolina, Fuel oil, Crudo de Castilla,
Crudo de rubiales.
• GASEOSOS: GLP, Gas Natural, Butano, Gas de coke.
Propiedades Importantes de los Combustibles:
• SOLIDOS: Forma Física.Densidad,Contenido de humedad,Composición volátiles,Composición químicaPoder calorífico,Tiempo de combustión,Contenido de cenizas,Contenido de azufre.
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• LIQUIDOS: Densidad,Viscosidad,Punto de llama,Punto de burbuja,Poder calorífico,Contenido de agua libre,Composición química,Contenido de azufre,Velocidad de propagación de la llama.
• GASEOSOS: Composición química,Poder calorífico,Inflamabilidad,Velocidad de propagación de llama,Contenido de azufre,Humedad.
1.3 REACCION TIPICA DE LOS COMBUSTIBLE.
Cuando el carbono y el hidrógeno se queman totalmente con el oxígeno, su
reacción es: C +(O)2 (CO)2 + 14.100 Btu/lb de C..
2(H)2 +(O)2 2(H2O) + 61.100 Btu/lb, de H.
TABLA 1 COMPOSICION TIPICA DE LOS COMBUSTIBLES.
COMBUSTIBLE %C %H %S HHVBtu/lb
LHVBtu/lb
HIDROGENO - 100 - 61002 52000
GAS NAT. 75 25 --- 23850 21490
GLP 82 18 --- 21240 19620
FUEL OIL 86 11.5 1.0 18640 17981
C.CASTILLA 80 5.5 2.6 18500 17585
CARBON 60 12.0 0.4 11000 10000
AZUFRE - - 100 39.83 39.83
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1.4 EFICIENCIA DE LA COMBUSTION.
Hay que definir cuales el objetivo de la Combustión que se desea hacer mas
eficiente, para poder proponer soluciones de conservación energética.
Generalmente la combustión se usa en los procesos energéticos que se
presentan en las figuras 1 y 2.
Las dos mayores aplicaciones de la combustión son la Generación de Calor y
la Ejecución de Movimiento, En la primera se obtienen eficiencias del orden del
95 al 100% y en la segunda típicamente tienen eficiencias menores del 40%.
Fig. 1.1 Usos del proceso de Combustión.
Usuarios Finales.
SECADOEVAPORACION
COCCIONCALEFACCION
GENERACION DE VAPOR
GENERACION DE CALOR
MOVIMIENTO DEBOMBAS
COMPRESORESTRANSPORTES Y VEHICULOS
ILUMINACIONPROCESOS QUIMICOS
PROCESOS ELECTRICOS
GENERACION ELECTRICA
GENERACION DE MOVIMIENTO
ENERGIA CALORICA DE LOS COMBUSTIBLES
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Fig 1.2. Diagrama de Distribución de Energía.
1.5 PARAMETROS GENERALES PARA EL USO RACIONAL DE LAENERGIA DE COMBUSTION.
La conservación de energía en la combustión se puede abordar por dos
caminos a seguir, como son : Los parámetros de operación y las
características de diseño del equipo.
Parámetros de Operación:
Si existe un equipo con sus condiciones fijas, y si se quiere optimizar la
combustión de este, los factores operacionales a trabajar son:
PODERCALORIFICO
SUPERIOR
PODER
CAL.
INF.
ENERGIAGASTADA ENEVAPORAR ELAGUA
FLUJO DEENERGIA ENGASES 10-30%
PREDIDASAL MEDIO2-5%
PERDIDASPORPAREDES, ENCENIZAS,ETC.
CALORDISPONIBLE
CALOR NETOAPROVECHADO 60-95%
ENERGIAALMACENDA,SOLO PARAPROCESOSDISCONTINUOS
EnergíaGastada enevaporacióndel agua
Energía engases
Perdidasal medio
EnergíaAlmacenada
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Primera Línea: Exceso de aire, Tipo de Combustible ,Tipo y condiciones
de atomización y Tipo de chimenea.
Segunda Línea: Limpieza del Intercambiador (deshollinado), tratamiento
del agua, Recolección de condensados, Cambio de Quemador.
Tercera Línea: Cambio de combustible, Cambio de Refractarios,
(Aislantes).
Ultima Línea: Cambio del área de transferencia de calor. (Que es
prácticamente cambio del equipo.)
Parámetros de Diseño:
Las optimización atener en cuenta esta en las siguientes condiciones:
Condiciones del ventilador: Presión, Caudal.
Condiciones de atomización: Cambio de boquillas, Cambio de bomba,
Instalación de precalentador.
Condiciones de tiro de chimenea: Aumento del diámetro de chimenea,
Aumento de la altura de chimenea, Disminución de perdidas.
En lo descrito como parametros de operación y de diseño se encuentran
todas las opciones para mejorar la combustión, finalmente es un análisis de
costo/beneficio lo que da la decisión.
MEDIDAS PARTICULARES A TOMAR.
A continuación se describen medidas particulares de ahorro de energía en
combustión, como son:
- Disminuir las perdidas de calor en los gases de escape.
- Mantener el exceso de aire en los valores recomendados.
Excesos de aire recomendados.
GAS NATURAL 10%
GLP 15%
FUEL OIL 20-25%
CRUDO DE CASTILLA 20-50%
CARBON 25-30%
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De un análisis Orsat determinamos % de (O)2 como punto de control, de las
Figs. 1.3, 1.4, 1.5 y 1.6 determinamos el % de (CO)2 Vs exceso de aire, y
además de la Fig 1.7. Concluimos:
- Que al aumentar el exceso de aire, disminuye la eficiencia de combustión,
por tanto disminuye el ahorro de combustible.
- También al aumentar el exceso de aire, sumado con una alta temperatura se
reduce sensiblemente la eficiencia térmica.
- No se debe permitir diferencias de temperaturas entre salida de humos y T
de proceso mayores de 100 y 150 ºC.
- En los posible hacer el calentamiento en contracorriente.
- Limpiar las superficies de calor periódicamente.
- Controle los aumentos progresivos de temperatura de humos y programe
deshollinar periódicamente.
- Revise el bulbo del termómetro de humos puede estar sucio o descalibrado.
- No permita niveles de (CO) mayores de 400 PPM.
- Para quemar los sólidos, clasificarlos por tamaño homogéneo, para que el
lecho de quema tenga combustión uniforme en el tiempo.
- Para los líquidos atomizarlos a la presión recomendada (60 -100 psi.) o con
ayuda de fluidos(vapor, aire) para evitar el hollín.
- Vigilar el tamaño, forma y color de la llama.
- Regular el tiro (Con el damper en la chimenea), Excesos del aire pueden
llevar al arrastre del hollín.
EN LOS QUEMADORES
- Revisar y limpiar boquillas de quemadores y/o parrillas, periódicamente.
- Utilizar la temperatura y presión de atomización según la viscosidad del
combustible liquido. (según fabricante).
- Sobrepasar la temperatura de atomización produce mayor consumo
energético.
- Revise que la relación aire/ combustible se pueda controlar consistentemente
mediante Modultrol y válvula de compuerta.
- Utilizar el fluido de atomización adecuado en los quemadores Voriflow.
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- Tener en cuenta que vapor aumenta el punto de rocío lo que genera
corrosión.
- En los quemadores a gas mantener el rango de presión del combustible en
los valores dados por el fabricante. (Baja presión 5- 14 “c.a.).
- Precalentar el aire de combustión, con el calor residual de los humos,
generalmente con un aumento de 50ºC. del aire se logra un ahorro del 25% de
combustible.
Oxidos de sodio y otros contaminantes atacan los refractarios, lo mismo que el
NACl libre presente especialmente en los crudos puede generar corrosión en
los tanques y tuberías de combustible.
- En los quemadores de combustibles líquidos usar precalentador de
combustible, esto mejora la presión de atomización logrando ahorros en
combustible entre 2-3%.
- Drenar periódicamente el agua sedimentada en los tanques de combustible.
- Lleve registros generales de la combustión, como presión, temperatura del
aire y combustible. No solo la chimenea nos mide le eficiencia de la
combustión.
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Fig 1.3 Analisis Orsat en combustión - Crudo de castilla.
Fig 1.4 Análisis Orsat en combustión . Fuel oil.
(Ver figuras en archivo adjunto)
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Fig 1.6 Análisis Orsat en combustión . Kerosene -ACPM.
Fig. 1.7 Ahorro de combustible por disminución de exceso de aire.
(Ver figuras en archivo adjunto)
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2. ENERGIA TERMICA DEL VAPOR Y CALDERAS.
2.1 LA INGENIERIA DEL VAPOR.
La energía térmica de vapor y calderas, su principal objetivo es comentar las
características, el uso y mejor aprovechamiento del vapor para la producción
de energía térmica de calefacción industrial.
El presente informe de apoyo va dirigido a todas las personas relacionadas
con el diseño, operación, mantenimiento y principalmente brindar las
herramientas necesarias para desarrollar estrategias de ahorro en la energía
térmica del vapor en su empresa.
2.1.1 DEFINICION DEL VAPOR.
Como todo elemento, el agua puede estar en estado sólido, en estado liquido,
o en estado gaseoso o llamado vapor. Si se le suministra calor al agua, su
temperatura aumenta de tal manera que su estado no pueda permanecer
como liquido. A este valor lo llamamos " Punto de saturación". Cualquier nueva
adición de energía provoca que parte del agua hierva y se convierta en vapor.
2.1.2 PRODUCCION DEL VAPOR.
Una forma sencilla de explicar la formación del vapor es considerar el siguiente
experimento. ( Fig. 2.1). Si tomamos un cilindro con la parte inferior y superior
tapadas, y aislado en su totalidad a un 100% de eficiencia, donde no hay
perdidas de calor a través de sus paredes. Si introducimos en este cilindro 1Kg.
A una temperatura de 0 º C., podemos utilizarlo como punto de referencia y
decir que para nuestros propósitos, su contenido de calor o entalpia es de cero
(0). Cualquier adición de calor al agua hará aumentar su temperatura hasta
que se alcancen los 100º C. Como la tapa del cilindro esta libre en su parte
superior el agua esta sometida únicamente a la presión atmosférica; Cualquier
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aumento adicional de entalpia hace que el agua no pueda seguir
manteniéndose en fase liquida y una parte hierva convirtiéndose en vapor.
Fig. 2.1 Experimento de producción de vapor.
La entalpia total retenida por cada Kg. De agua liquida a la temperatura de
ebullición se llama "Entalpia especifica de liquido saturado" y se designa por el
símbolo " h f".
La entalpía adicional necesaria para convertir 1 kg. De agua en vapor se llama
" Entalpia especifica de evaporación" y se designa por el símbolo " hfg".
La entalpía total de cada Kg. De vapor es la suma de las dos anteriores.
"Entalpia especifica del vapor " y se designa con el símbolo "hg". Donde :
hf + hfg = hg
Cundo al Kg. De agua de nuestro cilindro que estaba a la temperatura de
100º C, se le ha añadido toda la Entalpia Especifica de evaporación, el agua se
habrá convertido totalmente en vapor a la presión atmosférica. Su volumen
será mucho mayor que el del agua liquida y tendrá un volumen especifico de
1,673 m³/ Kg.
1 KG: aguaPistón
Energía
Peso
Termómetro
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2.1.3 PRESION VOLUMEN Y CALIDAD DEL VAPOR.
En el ejemplo del cilindro, de la Fig 2.1 si el agua se calienta y se produce
vapor , la presión aumenta.
A presión atmosférica la temperatura del agua saturada es de 100ºC.
Si la presión sube a 10bar (148 psi) la temperatura de saturación del agua será
de 180ºC.
A la presión atmosférica, 1 Kg. de vapor ocupa 1.673 m³. A la presión de 10
bar abs, el mismo Kg. de vapor solo ocupa 0.194 m³.
La calidad del vapor se describe mediante su "fracción seca", que es la
proporción de vapor completamente seco presente en el vapor considerado.
2.1.4 GENERADORES DE VAPOR.
Los generadores de vapor, calderas, son recipientes que trabajan a presión ,
para transferir calor de la combustión, a un fluido, siendo la mas común la
conversión del agua en vapor.
La fuente de calor mas usada es la combustión de: Carbón, Combustibles
líquidos o Gases. También se usan otros como: la cascarilla de arroz, papel,
madera, etc.
También se usa como fuente de calor, las resistencias eléctricas y gases
calientes de procesos industriales.
2.1.5 CONDENSACION DEL VAPOR.
Tan pronto como el vapor deja la caldera, empieza a ceder parte de su entalpía
a cualquier superficie con menor temperatura. Al hacer esto, una parte del
vapor condensa, convirtiéndose en agua a la misma temperatura. El proceso es
exactamente el inverso del que tiene lugar en la caldera cuando el agua se
convierte en vapor al añadirle calor. Cuando el vapor condensa, cede la
entalpía de evaporación.
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2.2 CLASIFICACION DE LAS CALDERAS.
Las calderas se clasifican según:
Presión y temperatura de trabajo.
Tipo y forma de quemar el combustible.
Por el tipo de paso de humos.
De Baja Presión15 - 60 psi
De media Presión60- 150 psi.
De Alta Presion150-250 psi.
CLASIFICACION DE LAS CALDERASPOR PRESION
Cárbon, Bagazo,Cascarilla de ArrozAserrin, Basuras,
otros.
SOLIDOS
Crudo de castillaFuel oilACPM
Kerosene.
LIQUIDOS
Gas naturalGas propano GLP.
GasButano.
GASEOSOS
CLASIFICACION POR EL TIPO DE COMBUSTIBLE
Carbon pulverizadoParrillas estáticas
Calderas de Carbón.Tipo de Quemador.
Con presion mecánicaDe baja presión de atomización.
De Combustible Líquido.Tipo de Quemador.
De gas premezcladoCon mezcla en boquilla
De Combustible GaseosoTipo de quemador.
POR LA FORMA DE QUEMAR EL COMBUSTIBLE.
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2.2.1 EFICIENCIA TERMICA DE LA COMBUSTION EN LAS CALDERAS.
La eficiencia de Combustión en las calderas esta dada por lo completa y
eficiente que sea la reacción Oxigeno - Carbono.
Disminuye con el aumento de oxigeno necesario para la combustión completa.
Combustibles inquemados representa rebaja en la eficiencia de combustión.
Contenidos de (CO) en los gases, significa una combustión ineficiente.
La eficiencia Total de las Calderas esta dada por la energía bruta que sale
sobre la que entra.
2.2.2 FOCOS DE PERDIDA DE CALOR EN LAS CALDERAS.
Los principales focos de perdidas son:
Alta temperatura de los gases de escape.
Inquemados del combustible.
Elevado porcentaje de oxigeno en los gases, producto de un alto exceso
de aire.
Elevada temperatura de las paredes.
Baja calidad del vapor por arrastre de agua.
Excesivo caudal de purgas o purgas muy continuas.
Paradas muy frecuentes por averías.
Cenizas muy calientes.
Calderas Acuotubulares. Calderas Pirotubulares
POR EL PASO DE LOS HUMOS
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Entrada de agua de alimentación fría a la caldera.
Agua en el aire de combustión y combustible.
Fugas de vapor.
Falta de controles.
Operaciones fluctuantes con demandas muy variables de vapor.
Fig. 2.2 Balance de Energía típico de una caldera.
2.2.3 ANALISIS DE LAS PERDIDAS Y AHORRO DE ENERGIA.
Cada 20-22 ºC. Sobre la temperatura optima del flujo de gases, significa una
perdida de energía de 1%.
Cada 1% de Oxigeno, (equivalente a 5% de exceso de aire) en los humos es
indicativo de una perdida de energía de 0.5%.
En las Fig.2.3 se observa la variación del rendimiento en función de la
temperatura de humos, operando la caldera con diferentes excesos de aire
para fuel oil.
También cada 10 ºC. De incremento de la temperatura del aire dará como
resultado un 0.5% de mayor eficiencia.
Energía entregadapor
el combustible(96.6%
CALDERA
Energía engases 12%
Energía en el
Vapor 74.5%
Energíaen gases12%
Perdidas13.5%
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Fig 2.3 Variación de rendimiento en función de la temperatura de humos
a diferentes excesos de aire. Combustible Fuel oil.
(Ver figura en archivo adjunto)
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2.2.4 SOLUCIONES PARA LA REDUCCION DE LAS PERDIDAS DE
ENERGIA EN LAS CALDERAS.
Mantener buena limpieza en las superficies de los tubos, interna y
externamente; Realizar una observación periódica a estos.
Procurar la mejor combustión, manteniendo los quemadores bien ajustados
para una relación perfecta del aire/combustible, con el exceso de aire apenas
necesario, y una medición frecuente de gases de la combustión, especialmente
el % de (O)2.
Regular el tiro del hogar a un nivel bajo que garantice la evacuación de los
gases, que apenas contrarreste las caídas de presión a través de la caldera y
que de la mejor residencia del calor en la superficie de intercambio.
Disponer siempre de combustible limpio y uniforme, ejemplo carbón lavado,
aceites y gas filtrados, etc.
Mantener siempre el buen estado de boquillas pulverizadoras, parrillas, etc, así
como su calibración.
Mantener buen sello en toda la caldera para evitar infiltraciones de aire, que
aumenten el exceso de éste.
Mantener buen sello interno entre pases de la caldera (Refractario interno),
para evitar “corto circuito” en la corriente de gases.
Hacer un buen tratamiento del agua de alimentación, un control frecuente del
agua y purgas regulares ya que con los arrastres e incrustaciones se presentan
perdidas de calor.
Recuperar condensados para retornarlos a la caldera; de esta manera se
ahorra calor y químicos de tratamiento de agua.
Evitar sobredimensionamiento de la caldera para prevenir demasiados
arranques y paradas.
Remplazar los controles on/off del quemador de la caldera por controles
modulados.
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3. REDES PARA LA DISTRIBUCION DEL VAPOR.
3.1 INTRODUCCION, DEFINICION Y COMPONENTES DE LAS REDES.
La red de distribución de vapor es el conjunto de elementos que unen el
generador de vapor y los equipos de calefacción y consta de los siguientes
elementos.
Red de tuberías principales y secundarias.
Distribución general, soportes, anclajes, abrazaderas, juntas.
Aislamientos térmicos.
Válvulas reductoras de presión,
Válvulas de Seguridad.
Sistema de trampas para evacuación de condensados.
Red de retorno de condensados.
Purgadores de aire de las redes.
3.2 TRAMPAS DE VAPOR.
La función de las trampas de vapor es eliminar el condensado, aire, y otros
gases no condensados de las redes principales y de los equipos que trabajan
con vapor, tan rápido como sea posible.
Las trampas deben proporcionar:
Pérdidas de vapor mínimas.
Vida larga y confiable.
Resistencia a la corrosión.
Venteo del aire y otros gases.
Funcionamiento en contrapresión.
3.3 TIPOS DE TRAMPAS DE VAPOR.
TRAMPAS DE VAPOR TERMOSTATICAS.
De presión equilibrada.
De expansión liquida.
Bi- metálicas.
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TRAMPAS DE VAPOR TIPO MECÁNICO.
De Flotador Libre.
De Balde Invertido.
TRAMPAS DE VAPOR TIPO TERMODINÁMICO.
3.4 FOCOS DE PERDIDAS DE ENERGIA EN LAS REDES DEDISTRIBUCION DE VAPOR.
Los factores que mas afectan las perdidas de energía en las redes de vapor
son:
DIMENSIONAMIENTO DE LAS REDES.
- A mayor velocidad del vapor aumenta la erosión y el ruido.
- Se debe localizar puntos de drenaje en la red y evacuarlos mediante una
trampa con el fin de entregar un vapor seco y saturado al equipo.
- Un punto de perdidas de energía importante es el aislamiento de las redes,
debe ser dimensionado, instalado y protegido correctamente.
FOCOS DE PERDIDA EN LAS TRAMPAS DE VAPOR.
- Trampas con fugas de vapor y condensado.
- Bypasses abiertos. No se recomienda instalarlos.
- Mala selección y localización de la trampa.
- Instalación inadecuada de la trampa.
- La trampa esta mal ajustada.
- Las trampas tienen una vida útil, deben ser remplazadas.
- Mala operación de la trampa debido a mal aislamiento de la línea.
3.5 SOLUCIONES PARA LA REDUCCION DE LAS PERDIDAS DEENERGIA EN LAS REDES DE VAPOR.
En el sistema de distribución de vapor.
- Las redes de distribución deben estar correctamente dimensionadas,
instaladas, purgadas, aisladas y mantenidas.
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- Reparar las fugas en bridas uniones y válvulas.
- Verificar el funcionamiento de los reguladores de presión.
- Se debe eliminar oportunamente el aire y los condensados.
- Líneas con mal aislamiento , este se debe mejorar.
Garantizar un diseño adecuado de las redes respecto a :
- Tipos de trampas.
- Dimensionamiento de la red colectora de condensados.
- Aislamientos.
- Tener en cuenta la utilización de tanques presurizados para recuperar el
vapor flash.
- Diseño adecuado del tanque de retorno de condensados.
- Prevenir problemas de vacío cuando se suspende el suministro de vapor.
- Instalar juntas de dilatación.
En Trampas de Vapor:
- Se debe diferenciar entre el vapor vivo y el revaporizado.
- Existen detectores de fugas en trampas y redes de vapor, su operación en
general se efectúa por el sonido y un equipo indicador electrónico.
En el Sistema de Condensado:
- Es muy importante recuperar la energía del vapor flash (Secundario) o
revaporizado.
- Utilización de la energía en el condensado, como fuente de calor para
calentamiento de agua o como retorno a la caldera.
- Aislamiento de las tuberías de condensado.
- Prevención de corrosión y golpes de ariete en la red de condensado.
La incidencia del golpe de ariete será mayor si se forman bolsas de
condensado en los puntos bajos del sistema , y se evita esté:
- Instalando reductoras excéntricas para evitar el anegado.
- Instalar los filtros de vapor en un plano horizontal.
- Las redes deben tener una pendiente decreciente en la dirección del flujo.
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- Instalar trampas como la termodinámica o de balde invertido si hay riesgo de
golpe de ariete.
- La oportunidad de recuperar la energía en el denominado vapor flash o
revaporizado, es mediante la compresión del vapor por compresores tipo Root
o por eyectores.
Adicionalmente, se puede recuperar el revaporizado utilizando un condensador
de contacto directo entre el revaporizado y el agua de alimentación a la
caldera.
4 SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDO.
4.1 INTRODUCCION Y DEFINICION DEL AIRE COMPRIMIDO.
El aire comprimido es un gas incoloro, insípido e inodoro. Es una mezcla de
gases.
Los principales usos del aire comprimido son:
- Para transmitir potencia, es de vital importancia para el
funcionamiento de herramientas neumáticas.
- Para proveer aire de combustión.
- Como medio de transporte de elementos y partículas.
- Para facilitar una reacción química como el vulcanizado.
4.2 TIPOS DE COMPRESORES.
Los compresores de aire los clasificamos de la siguiente manera:
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4.3 DEFINICION DE PRESION, VOLUMEN Y POTENCIA
La presión esta definida como la fuerza por unidad de área.
Si: Pa = Presión absoluta.
Pm= Presión Manometrica o relativa.
Patm. = Presión atmosférica.
Pa = Pm + Patm.
Una relación practica de Potencia en aire comprimido es :
1BHP, de Potencia produce 4.3 Acfm. a 100psi de presión.
RECIPROCANTES
De aletas Anillo líquido Lobulos rotatorios Tornillo
ROTATORIOS
DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO(Flujo Intermitente)
Centrífugos Flujo axial Flujo Mixto.
DINAMICOS EYECTORES
FLUJO CONTINUO
COMPRESORES
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4.4 SELECCIÓN DEL COMPRESOR.
Para seleccionar un compresor hay que tener en cuenta los siguientes
aspectos:
Para alta presión arriba de 250 psi se utilizan solo reciprocantes.
Según el Tipo de Trabajo:
Para trabajo pesado se aplican los reciprocantes.
Para un trabajo medio los centrífugos o los de tornillo.
Según su confiabilidad.
Según el espacio y necesidades de anclaje: Los rotatorios requieren
menos espacio y anclaje.
Si se requiere aire libre de aceite.
4.5 COSTO REAL DEL AIRE COMPRIMIDO.
En el costo total del aire comprimido se incluyen varios factores totales a saber:
Tabla 1 Valores que afectan el costo de aire.
Compresor de Tornillo hasta 75 BhpCompresor reciprocante
mayor de 75 Bhp.
Costo Porcentaje Porcentaje.
Mantenimiento 20 15
Operación -- 20
Energía 80 65
Por ejemplo para un compresor de tornillo de 25 Bhp. Trabajando 8 hrs.
Diarias los costos totales son:
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Costo Energía Costo Total
Día $ 21.600 $ 27.000
Mes $648.000 $ 810.000
Año $ 7´776.000 9' 720.000
4.6 EL SISTEMA DE DISTRIBUCION DE AIRE COMPRIMIDO Y SUSCOMPONENTES.
Toda red de aire comprimido consta de los siguientes elementos:
La red de succión (para los compresores reciprocantes de gran potencia).
El compresor.
El Postenfriador.
El tanque de almacenamiento principal.
El secador.
La red principal y secundaria.
Trampas de drenaje.
Unidades FRL.
4.7 RENDIMIENTO DEL SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO.
La disminución del rendimiento un sistema de aire esta afectada por:
El Compresor.
La red de distribución
El aire mismo.
El Compresor.
- Un compresor de dos etapas de compresión supone un ahorro de 10 a 15%
de energía respecto a uno de una sola etapa.
- El factor de carga es la relación entre el suministro de aire comprimido real y
el suministro teórico de diseño.
- El F.C. Nunca debe ser 100%
- El F.C. Debe estar 50-80%.
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- Para un mejor rendimiento del compresor el aire aspirado debe estar limpio y
frío. Cada 4ºC. de aumento de temperatura en el aire aspirado, aumenta el
consumo de energía en 1% para el mismo caudal.
- El aire debe aspirarse preferiblemente del exterior, la tubería debe ser recta y
corta con filtro de aire.
- Cada 25 mbar de perdida de carga en la succión provoca una reducción de un
2% en el rendimiento.
En la Red.
- La red se debe diseñar de acuerdo a la capacidad del compresor y a los
consumos, un tamaño deficiente causa un aumento en las perdidas y una
caída del rendimiento.
- Con el fin de mantener la presión en todo el sistema, la red se debe construir
en forma de “Loop”, cerrado.
4.8 FOCOS DE PERDIDA POR FUGAS Y EVALUACION DE ESTAS.
Por Fugas:
- Para comprimir aire se requiere energía, las fugas son perdidas de energía.
- Las perdidas por fugas varían desde un 5% a 10% en instalaciones bien
mantenidas, y hasta un 30% e incluso hasta un 50% en instalaciones
descuidadas.
- El costo de reacondicionamiento de la red es muy pequeño en comparación
con los costos de perdidas de energía.
- El costo de reacondicionamiento de la red es muy pequeño en comparación
con los costos de perdidas de energía.
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Tabla 3 Descarga de aire a través de un orificio.
$ = kwh * 195$ /kwh* 8000h/año.Tabla 4 Perdidas anuales de energía por fugas.
Los puntos de fuga mas frecuentes son:
Válvulas de seguridad de los depósitos acumuladores.
Juntas de tuberías y mangueras.
Válvulas de corte que hacen mal cierre.
Enchufes rápidos.
Herramientas neumáticas.
Fugas en los equipos.
DESCARGA DE AIRE EN CFMPresión(Man)
psi 7 15 30 45 80 100 125
1/64" 0.073 0.105 0.158 0.211 0.335 0.406 0.494
1/32" 0.293 0.402 0.633 0.845 1.34 1.62 1.98
1/8" 4.68 6.72 10.1 13.5 21.4 26.0 31.6
1/4" 18.7 26.9 40.5 54.1 85.7 104.0 126
3/8" 42.2 60.5 91.1 122.0 193.0 234.0 284
1/2" 75.0 108.0 162.0 216.0 343.0 415.0 506
Perdida de EnergiaORIFICIO
(mm)
Perdidas de aire a6bar(88psi) en
L/S Kw/h $/año
1 1.24 0.3 468.000
3 11.14 3.1 4´836.000
5 30.95 8.3 12´948.000
10 123.8 33 51´480.000
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Por Redes de Distribución.
Estas pueden afectar el rendimiento del sistema por:
Mal diseño.
Defectos en sus elementos.
- En una red de distribución a 7 bar (103 psi), dispuesta de manera optima no
deberá tener una caída de presión de 0.3 bar (5psi)(5%) entre el compresor y
el punto mas lejano.
- Algunas medidas practicas a tomar:
- Dimensionar la red de acuerdo al volumen de aire a transportar.
- Las tomas de aire deben realizarse siempre desde la parte superior del
colector.
Por Redes de Distribución.
- Estas pueden afectar el rendimiento del sistema por:
Mal diseño.
Defectos en sus elementos.
- En una red de distribución a 7 bar (103 psi), dispuesta de manera optima no
deberá tener una caída de presión de 0.3 bar (5psi)(5%) entre el compresor y
el punto mas lejano.
- Algunas medidas practicas a tomar:
- Dimensionar la red de acuerdo al volumen de aire a transportar.
- Las tomas de aire deben realizarse siempre desde la parte superior del
colector.
- Dimensionar los acoples y mangueras de conexión generosamente ya que en
estos se producen las mayores caídas de presión.
- Mantener el siguiente rango de velocidades del aire:
Para líneas de distribución : 6 a 10 m/s.
Para líneas secundarias: hasta 15 m/s.
En las mangueras hasta 30 m/s.
- Instalar secadores en la red con el fin de retirar la humedad presente en el
aire.
- En los puntos mas alejados si se presenta una alta caída de presión instalar
tanques pulmones en estos sitios.
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4.9 RECUPERACION DE ENERGIA TERMICA EN UN SISTEMA DE AIRECOMPRIMIDO.
En conjunto un 94% de la energía consumida se transforma en calor perdido.
Unicamente un 6% permanece como energía neumática.
- No todo el calor puede recuperarse, una fracción puede aprovecharse.
- En compresores enfriados por agua.
- Puede recuperarse hasta el 90 % de la energía de entrada en forma de
agua caliente a temperatura de 70 y 80 ºC. Utilizándose como alimentación
a calderas o calefacción.
Fig. 1.4 Recuperación de calor en compresor reciprocante enfriado poragua.
5 ESTACIONES DE BOMBEO Y REDES HIDRAULICAS.
5.1 INTRODUCCION.
La energía que se suministra a las estaciones de bombeo muchas veces no es
racionalizada y se desperdicia en múltiples formas.
La bomba es el corazón del sistema de bombeo, además de la tubería de
succión, y descarga y los elementos de control como válvulas manómetros, etc.
Lo primordial para un ahorro en el sistema hidráulico, es reducir al mínimo los
requisitos y condiciones de operación, con el fin de seleccionar la bomba más
eficiente para el sistema.
5.2 DEFINICION Y FUNCION DE LA BOMBA HIDRAULICA.
Una Bomba es un dispositivo capaz de adicionarle energía a una sustancia
fluida para producir su desplazamiento de una posición a otra, incluyendo
cambios de elevación.
Las bombas son empleadas para aumentar el nivel energético de los fluidos,
convirtiendo la energía mecánica en energía hidráulica.
Su función no es sólo cambiar un líquido de altura, sino de transportar fluidos a
través de largas distancias o modificar las condiciones de alta o baja presión.
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5.3 TERMINOLOGIA DE LAS BOMBAS HIDRAULICAS.
Cabeza Total de Descarga de una Bomba: Consiste en una cabeza estática o
elevación estática y una cabeza de fricción o cabeza dinámica.
Cabeza Estática: Es la medida desde la superficie del líquido en la succión
hasta la medida del líquido en el recipiente de descarga.
Cabeza de fricción: Es la perdida de cabeza producida al vencer la fricción en
la tubería.
5.4 CLASIFICACION DE LAS BOMBAS.
Las Bombas las podemos clasificar:
Imp SemiabiertoImp Abierto
Imp. Cerrado
Simple succiónDoble succión
Flujoradial
Imp SemiabiertoImp Abierto
Imp. Cerrado
Simple succiónDoble succión
FlujoMixto
Imp. AbiertoImp. Cerrado
Simple Succión
FlujoAxial
Centrifugas
DINAMICAS
DobleSucción
Pistón
SimpleDoble
Succión
Embolo
Reciprocantes
AspasPistón
Medio Flex.Tornillo
RotorMultiple
EngranagesLobulos
BalancinesTornillos
RotorSimple
Reciprocantes
DESPLAZAMIENTOPOSITIVO
BOMBAS
34
5.5 CURVAS DE RENDIMIENTO DE LAS BOMBAS CENTRIFUGAS
La fig. 1.5 Representa la curva de rendimiento de una bomba centrifuga.
35
5.6 PERDIDAS HIDRAULICAS EN LAS TUBERIAS.
Perdidas en la Entrada y en la Salida.
Si la toma de la bomba está en un deposito o tanque, las perdidas ocurren en
el punto de conexión de la tubería de succión con el suministro, la magnitud de
estas perdidas depende del diseño de la entrada del tubo. Una boca
acampanada produce las mínimas perdidas.
Al lado de la descarga, cuando el tubo termina en un cuerpo de liquido, se
pierde por completo la carga de velocidad del liquido, aumentando las perdidas
totales.
Las perdidas por fricción en la entrada y la salida, varían proporcionalmente al
cuadrado del flujo. en un sistema.
5.7 MEDIDAS PRACTICAS A TOMAR PARA EL AHORRO DE ENERGIA
EN BOMBAS Y TUBERIAS.
- Seleccionar las bombas para que funcionen en el punto de máxima eficiencia.
- Tratar de estimar lo mas cercano a los consumos reales para no tener que
sobredimensionar la bomba, ocacionándose un desperdicio en dinero y
potencia.
- Donde se requiera, instalar un motor de velocidad variable, lo cual origina una
alta economía, al no existir la necesidad de estrangulamientos o derivaciones
que producen perdidas.
- Instalar controles automáticos de temperatura(Acuastatos) que manejen
sistemas de agua de refrigeración hacia o desde las torres de enfriamiento o
tanques de agua caliente, para que estas operen solo el tiempo necesario, sin
que se presente el desperdicio de energía.
- En cuanto a la selección de tuberías, tratar de utilizar tubos de baja rugosidad
con una velocidad recomendada (para la succión y descarga) de 1.2 m/s. A 2.1
m/s. Para lograr que las perdidas por fricción no supere el 5%.
- Instalación de controles que no permitan el trabajo de la bomba en seco.
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Cuidar en mantenimiento lo relacionado con (succión de aire) de las bombas,
como son los sellos, empaques, tolerancias, anillos entre etapas, alineación,
etc.
- En los sistemas de recirculación de agua, hasta donde sea posible utilizar
los retornos por gravedad.
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7. MANTENIMIENTO INDUSTRIAL.
7.1 OBJETIVOS Y FUNCIONES DEL MANTENIMIENTO.
Los principales objetivos del mantenimiento, manejados con criterio económico
y encausados a un ahorro en los costos generales de producción son:
- Llevar a cabo una inspección sistemática de todas las instalaciones, con
intervalos de control para detectar oportunamente cualquier desgaste o rotura,
manteniendo los registros adecuados.
- Mantener permanentemente los equipos e instalaciones, en su mejor estado
para evitar los tiempos de parada que aumentan los costos.
- Efectuar las reparaciones de emergencia lo mas pronto, empleando métodos
más fáciles de repación.
- Prolongar la vida útil de los equipos e instalaciones al máximo.
- Sugerir y proyectar mejoras en la maquinaria y equipos para disminuir las
posibilidades de daño y rotura.
- Controlar el costo directo del mantenimiento mediante el uso correcto y
eficiencia del tiempo, materiales, hombres y servicio.
Funciones del Mantenimiento.
Funciones Primarias:
Mantener reparar y revisar los equipos e instalaciones.
Generación y distribución de los servicios eléctricos, vapor, aire, agua,
gas, etc.
Modificar, instalar, remover equipos e instalaciones.
Nuevas instalaciones de equipos y edificios.
Desarrollo de programas de Mantenimiento preventivo y programado.
Selección y entrenamiento de personal.
Funciones Secundarias:
Asesorar la compra de nuevos equipos.
Hacer pedidos de repuestos, herramientas y suministros.
Controlar y asegurar un inventario de repuestos y suministros.
Mantener los equipos de seguridad y demás sistemas de protección.
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Llevar la contabilidad e inventario de los equipos.
Cualquier otro servicio delegado por la administración
7.2 ACTIVIDADES Y RESPONSABILIDADES DEL MANTENIMIENTO.
A continuación se relacionan las principales Actividades y responsabilidades
del mantenimiento:
- Dar la máxima seguridad para que no se vayan a presentar paros en la
producción.
- Mantener el equipo en su máxima eficiencia de operación.
- Reducir al mínimo el tiempo de paro.
- Reducir al mínimo los costos de mantenimiento.
- Mantener un alto nivel de Ingeniería practica en el trabajo realizado.
- Investigar las causas y remedios de los paros de emergencia.
- Planear y coordinar la distribución del trabajo acorde con la fuerza laboral
disponible.
- Proporcionar y mantener el equipo de taller requerido.
- Preparar anualmente un presupuesto, con justificación adecuada que cubra el
costo de mantenimiento.
- Establecer una rutina adecuada de inspección de los equipos contra
incendios, organizando y adiestrando al personal.
7.3 TIPOS DE MANTENIMIENTO Y TERMINOLOGIA.
Mantenimiento SistemáticoEs el efectuado según un
programa establecido de acuerdocon el tiempo de trabajo u otro factor
Mantenimiento PreventivoEs el efectuado a un bien siguiendoun criterio, con el fin de reducir las
posibilidades de falla.
Mantenimiento CorrectivoEs el mantenimiento efectuado
despues de una falla.
Mantenimiento PredictivoMantenimiento efectuado
de acuerdo a información dada porun aparato de control permanente.
Mantenimiento.Conjunto de acciones para mentener
o restablecer un bien.
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7.4 INDICES DE MEDIDA DEL MANTENIMIENTO.
Indice de Disponibilidad (D):
T.P.E.F. = Tiempo Promedio Entre Fallas.
T.P.P.R.= Tiempo Promedio Para Reparar.
Indice de Confiabilidad = T.P.E.F.
D. = T.P.E.F. / (T.P.E.F. + T.P.P.R.)
7.5 LAS ORDENES DE TRABAJO.
Las “solicitudes de trabajo” son generadas cada vez que se advierte que un
trabajo de mantenimiento es necesario.
Las ordenes de trabajo de mantenimiento son provocadas por “Solicitudes de
Trabajo” que luego de ser firmadas por el Jefe de Mantenimiento se convierten
en “Ordenes de Trabajo”.
Tipos de Ordenes de Trabajo:
Orden Normal.
Orden compuesta o Cruzada.
Orden de Pequeños Trabajos.
Orden Permanente.
7.6 LA PROGRAMACION DEL MANTENIMIENTO.
El objetivo de la programación consiste en determinar el orden en el cual se
deben efectuar los trabajos planificados teniendo en cuenta:
Los grados de urgencia.
Los materiales necesarios
La disponibilidad del personal.
Métodos de Programación:
Programa Diario.
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Programa Semanal.
Métodos gráficos de programación.
7.7 CONSECUENCIAS ECONOMICAS POR LA INEFICIENCIA DELMANTENIMIENTO.
Destrucción de Instalaciones y Equipos:
Perdidas de Producción.
Disminución de calidad del producto
Interrupciones en el proceso de producción con su costo económico.
Desgastes de los equipos.
Pagos de Salarios por mano de obra inactiva.
Costos de capital por equipos improductivos.
Perdidas Inducidas (secundarias)
Perdidas de divisas y desprestigio
7.8 EFECTOS PRECTICOS DE PERDIDAS DE ENERGIA POR UN MALMANTENIMIENTO.
Por un mal mantenimiento en los sistemas de combustible, aire, y vapor se
presenta en general :
Escapes continuos de combustibles, vapor, condensados, aire comprimido,
combustible con su respectivas perdidas de energía.
Al no existir un mantenimiento programado de accesorios válvulas, y trampas
de vapor y de aire, filtros, etc. su operatividad se reduce, induciendo perdidas.
El no mantenimiento a quemadores y elementos de combustión hace variar los
condiciones optimas de la relación (aire/combustible) causando aumentos de
consumo de combustible.
El no tratamiento del agua de alimentación a la caldera causa, arrastres de
humedad en le vapor lo cual hace disminuir la eficiencia de la caldera.
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