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UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

Decanato de Estudios Profesionales

Coordinacin de Ingeniera Mecnica

Evaluacin de la Capacidad del Sistema de Refrigeracin por Amonaco enuna Planta de Cerveza y Malta

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UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

Decanato de Estudios Profesionales


Evaluacin de la Capacidad del Sistema de Refrigeracin por Amonaco enuna Planta de Cerveza y Malta

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UNIVERSIDAD SIMN BOLVARDecanato de Estudios Profesionales


Evaluacin de la Capacidad del Sistema de Refrigeracin por Amonaco en

una Planta de Cerveza y MaltaINFORME DE PASANTIA PRESENTADO POR: Luis Alfredo Hernndez MrquezREALIZADO CON LA ASESORIA DE: Tutor Acadmico: Dosinda Gonzlez

Tutor Industrial: Jos Luis Outumuro

RESUMEN

Este informe presenta los resultados del proyecto de pasanta realizado en Cervecera

Polar, Planta Los Cortijos, abarcando dos objetivos principales. El primero de ellos se basa en

la evaluacin del sistema de refrigeracin por amonaco presente en la planta. Para dicha tarea

fue necesario el levantamiento de los equipos y el conocimiento de los procesos del sistema de

refrigeracin. Para la evaluacin de la capacidad instalada se calcul la carga de refrigeracin

que demanda cada consumidor del sistema. Una vez realizada esta tarea se plantearon varios

escenarios, en los cuales se modelaban las diferentes condiciones de operacin en la planta,

concluyendo que los consumidores requieren como carga base entre 782 TR y 1253 TR,dependiendo de diferentes condiciones de operacin, representando entre 17% y 27% de la

capacidad instalada, que es de 4500 TR. Como carga mxima de operacin real del sistema se

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DEDICATORIA

A Dios; por permitir que todo esto sea posible

A mi Pap y Mam; por el gran amor y apoyo que da a da me danpara el cumplimiento de mis metas y sueos

A mi hermano; por ser un compaero y amigo

A mis abuelos; por siempre estar presentes en mi viday el apoyo incondicional que me ofrecen

A mis amigos y las personas que han estado presentes en mi vida

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AGRADECIMIENTOS

A mi familia; mis padres, mi hermano y abuelos; por aconsejarme, guiarme y siempre

estar ah para brindarme el apoyo y amor necesario en mi vida.

A la Universidad Simn Bolvar, que gracias a su excelencia y disciplina me permiti

desarrollarme como persona y profesional a travs del personal que ah labora y los

conocimientos que ellos brindan a cada uno de sus estudiantes.

A mi Tutora Acadmica, Prof. Dosinda Gonzlez, por su receptividad, disposicin,

apoyo y sugerencias que ayudaron a la culminacin de este trabajo.

A mi Tutor Industrial, Ing. Jos Luis Outumuro, por sus invaluables enseanzas y

correcciones, que servirn de enseanza para ser un mejor profesional

Al personal de Cervecera Polar, Planta Los Cortijos; por siempre estar en plena

disposicin para prestar su colaboracin y conocimientos. Un agradecimiento especial al Ing.

Vctor Valle que durante toda la pasanta siempre brindo una ayuda especial para la resolucin

de problemas y conclusin con xito de mi trabajo.

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Indice General

- i -

INDICE GENERAL

INDICE GENERAL ..................................................................................................................... i

NDICE DE FIGURAS ................................................................................................................ i

INDICE DE TABLAS ................................................................................................................ ii

Captulo I. INTRODUCCION ..................................................................................................... 1

I.1. Planteamiento del Problema .................................................................................................. 1

I.2. Objetivo general .................................................................................................................... 2I.3. Objetivos especficos............................................................................................................. 2I.4. Justificacin y Delimitacin del Proyecto ............................................................................. 3

Captulo II. DESCRIPCION DE LA EMPRESA ....................................................................... 4

II.1. Empresas Polar .................................................................................................................... 4

II.1.1. Estructura Organizacional ............................................................................................. 4II.2. Cervecera Polar .................................................................................................................. 5

II.2.1. Objetivos de Cervecera Polar ..................................................................................... 6

II.2.2. Plantas Cerveceras ....................................................................................................... 6II.2.2.1. Cervecera Polar Los Cortijos C.A ........................................................................ 6II.2.2.2. Cervecera Polar Oriente C.A. ............................................................................... 6II.2.2.3. Cervecera Modelo C.A ......................................................................................... 6

II.2.2.4. Cervecera del Centro C.A. .................................................................................... 6II.2.3. Productos ..................................................................................................................... 7

II 2 3 1 C P l Pil 7

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ndice General

- ii -II.2.4.11. Desembalado ...................................................................................................... 10

II.2.4.12. Lavado ............................................................................................................... 10

II.2.4.13. Sistemas de inspeccin ...................................................................................... 10

II.2.4.14. Llenado y Tapado .............................................................................................. 10II.2.4.15. Pasteurizacin .................................................................................................... 11II.2.4.16. Embalado ........................................................................................................... 11II.2.4.17. Paletizado ........................................................................................................... 11

II.3. Gerencia de Servicios Industriales ..................................................................................... 11

Captulo III. DESCRIPCION DE LOS PROCESOS DE SALA DE MAQUINAS ................. 15

III.1. Procesos de sala de maquinas ........................................................................................... 15III.1.1. Sistema de Aire .......................................................................................................... 15

III.1.1.1. Objetivo .............................................................................................................. 15

III.1.1.2. Descripcin general del proceso ......................................................................... 15III.1.2. Sistema de Vapor ....................................................................................................... 17

III.1.2.1. Objetivo .............................................................................................................. 17

III.1.2.2. Descripcin general del proceso ......................................................................... 17

III.1.3. Sistema de CO2 ......................................................................................................... 20III.1.3.1. Objetivo .............................................................................................................. 20III.1.3.2. Descripcin general del proceso ......................................................................... 20

III.1.4. Sistema Agua Grado Plato o Agua Carbonatada: ...................................................... 22III.1.4.1. Objetivo .............................................................................................................. 22III.1.4.2. Descripcin general del proceso ......................................................................... 22

III.1.5. Agua helada ............................................................................................................... 23

III.1.5.1. Objetivo .............................................................................................................. 23III.1.5.2. Descripcin general del proceso: ........................................................................ 23

III.1.6. Sistema de Glicol ....................................................................................................... 27

III.1.6.1. Objetivo ..............................................................................................................27

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ndice General

- iii -Captulo V. DESCRIPCIN DEL SISTEMA DE REFRIGERACIN POR AMONIACO DELA PLANTA LOS CORTIJOS, CERVECERIA POLAR ........................................................ 36

V.1. Equipos del Sistema ........................................................................................................... 36V.1.1. Compresor .................................................................................................................. 36

V.1.1.1. Compresor de Tornillo Helicoidal de Dos Ejes ................................................... 36V.1.2. Separador de Aceite .................................................................................................... 36V.1.3. Condensador Evaporativo ........................................................................................... 37

V.1.4. Dispositivos de expansin .......................................................................................... 37V.1.4.1. Tubo capilar ......................................................................................................... 37V.1.4.2. Vlvula de expansin ........................................................................................... 37

V.1.5. Tanque Recibidor........................................................................................................ 38V.1.6. Trampa de Succin ..................................................................................................... 38V.1.7. El evaporador [16] ...................................................................................................... 38

V.1.7.1. Sistema seco ........................................................................................................ 38V.1.7.2. Sistema hmedo o inundado ................................................................................ 38V.1.7.3. Sistema semi-inundado ........................................................................................ 38

V.2. Sistema Principal de Amonaco ......................................................................................... 39

V.3. Sistema de Baja presin ..................................................................................................... 43V.4. Consumidores del Sistema de Amoniaco .......................................................................... 45

V.4.1. Elaboracin I ............................................................................................................... 45

V.4.1.1. Tanques Cilindro Cnico (T.C.C): ...................................................................... 45V.4.1.2. Difusores de Ambiente ........................................................................................ 45

V.4.2. Elaboracin II o Filtracin .......................................................................................... 46

V.4.2.1. Enfriador de Pilsen .............................................................................................. 46

V.4.2.2. Enfriador de Maltn.............................................................................................. 46V.4.2.3. Enfriador de Trasiego .......................................................................................... 46

V.4.3. Sala de Mquinas ........................................................................................................ 46

V.4.3.1. Enfriadores de alcohol .........................................................................................46

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ndice General

- iv -VI.4.2.2. Infiltracin del aire ............................................................................................. 62

VI.4.2.3. Cargas del producto ............................................................................................ 64

VI.4.2.4. Cargas por piso hmedo ..................................................................................... 64

VI.4.2.5. Carga por motores .............................................................................................. 65VI.4.2.6. |Cargas por iluminacin ...................................................................................... 65

VI.4.3. Caso especial: TCCs ................................................................................................ 66

Captulo VII. RESULTADOS Y ANALISIS ............................................................................ 70

VII.1. Cargas Bases del Sistema de Refrigeracin de Amoniaco ............................................. 70VII.1.1. Escenario 1 ............................................................................................................... 70

VII.1.2. Escenario 2 ............................................................................................................... 73VII.2. Cargas Pico del Sistema de Refrigeracin de Amoniaco ................................................ 76

Captulo VIII. LEVANTAMIENTO Y REALIZACIN DE LOS PLANOS DEL SISTEMADE VAPOR DE LA PLANTA LOS CORTIJOS, CERVECERA POLAR ............................ 81

Captulo IX. ACTIVIDADES ADICIONALES ....................................................................... 89

IX.1. Evaluacin del sistema de extraccin del rea de la cocina del comedor de empleados . 89IX.2. Elaboracin de seales de seguridad para equipos de los talleres .................................... 90

IX.3. Levantamiento del sistema de aire acondicionado de la planta........................................ 90IX.4. Levantamiento y elaboracin de planos de riesgo de las areas de California, planta bajay azotea de la sala de maquinas ................................................................................................. 91

IX.5. Evaluacin del suministro de vapor al pasteurizador de la lnea PET ............................. 92

IX.6. Verificacin de la capacidad de refrigeracin de un evaporador ..................................... 97

Captulo X. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................. 101

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Indice de Figuras y Tablas

- v -

NDICE DE FIGURAS

Figura 2.1. Estructura Organizacional de Empresas Polar C.A .................................................. 5Figura 2.3. Proceso de Envasado de la Cerveza Polar ............................................................... 13Figura 2.4. Estructura organizacional de la Gerencia de Servicios Industriales de CerveceraPolar C.A. .................................................................................................................................. 14Figura 3.1. Diagrama de flujo del sistema de aire comprimido. ............................................... 16Figura 3.2 Diagrama de flujo del sistema de vapor. .................................................................. 19

Figura 3.3. Diagrama del sistema de recuperacin de dixido de carbono. .............................. 21Figura 3.4. Diagrama de flujo de la planta ALDOX del sistema de agua grado plato. ............. 24

Figura 3.5. Diagrama de flujo la planta APV del sistema de agua grado plato. ........................ 25

Figura 3.6. Diagrama de flujo del sistema de agua helada. ....................................................... 26Figura 3.7. Diagrama de flujo del sistema de alcohol. .............................................................. 28Figura 4.1.Diagrama T-s del ciclo ideal por compresin de vapor ........................................... 33Figura 4.2. Componente del ciclo ideal por compresin de vapor ............................................ 33Figura 5.1 Diagrama de flujo del sistema principal de amonaco. ............................................ 42

Figura 5.2 Diagrama del tanque de baja presin del sistema de amonaco. .............................. 44

Figura 5.3 Diagrama de bloque del sistema de amonaco. ........................................................ 47

Figura 7.1 Metodologa Empleada ............................................................................................ 48Figura 6.1. Circuito trmico representativo de la transferencia de calor a travs de la pared ... 59Figura 8.1. Metodologa Empleada ........................................................................................... 83

Figura 8.2 Leyenda del plano ................................................................................................... 87Figura 8.3 Cocimiento ............................................................................................................... 87Figura 8.4 Pasteurizadores 2,3. 4 y 5 de Envasado ................................................................... 88

Figura 8.5Manifoldsde alta y baja presin ubicados en sala de maquinas .............................. 88

Figura 9.1 Cada de presin en funcion del flujo masico para tuberias de 3in, 4in y 6in ......... 96

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ndice General

- ii -

INDICE DE TABLAS

Tabla 4.1. Punto de ebullicin normal del refrigerante ............................................................. 30

Tabla 5.1. Datos de placa de los compresores del sistema de amonaco. .................................. 40Tabla 5.2. Comportamiento de la temperatura del amonaco segn la presin de trabajo. ....... 40Tabla 6.1. Calores especficos promedio @ 30C ..................................................................... 54Tabla 6.2. Tipo de Conveccin .................................................................................................. 60Tabla 6.3. Conductividades de los materiales constructivos ..................................................... 62Tabla 6.4. Calor removido en enfriamiento de aire para las condiciones de un espacio ........... 63

Tabla 6.5. Promedio de cambios de aire por 24hr de un espacio debido a aperturas einfiltraciones .............................................................................................................................. 63Tabla 6.6. Procesos y temperaturas de los TCCs ..................................................................... 66Tabla 7.1 Cargas base del sistema amoniaco con la menor cantidad de consumidores activos 71

Tabla 7.2 Cargas base del sistema amonaco ............................................................................ 74Tabla 7.3 Cargas pico del sistema amoniaco ............................................................................. 76Tabla 7.4 Cuadro Resumen de los Escenarios Planteados ........................................................ 79

Tabla 9.1 Condiciones de vapor del sistema principal .............................................................. 92

Tabla 9.2. Condiciones presentes ante dimetroa de 3 in, 4 in y 6 ing. .................................... 95

Tabla 9.4. Constante C1 y m de la ecuacin 9.5 ....................................................................... 98Tabla 9.5. Constante C2de la ecuacin 9.5 ............................................................................... 99

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Captulo I. Introduccin

Captulo I.INTRODUCCION

I.1. Planteamiento del Problema

Empresas Polar C.A. se encuentra en un permanente crecimiento y mejora de sus

procesos, para alcanzar cada da una mayor eficiencia y de esa forma poder mantener elliderazgo que sus marcas poseen en el mercado, a travs del cumplimiento de las altas

exigencias de los consumidores.

Cervecera Polar, como parte de Empresas Polar adopta esta filosofa del grupo, por lo

cual debe mantenerse innovando, en la mejora constante de procesos, tener mayores controlesde calidad y aumentar la produccin para poder suplir las altas demandas del mercado.

La gerencia de servicios industriales de Cervecera Polar es la encargada de asegurar el

mantenimiento y optimizacin constante de los servicios dispuestos para la produccin de

cerveza y malta, entre los cuales se encuentran los sistemas de vapor, amonaco, CO 2, aguahelada, agua grado plato, entre otros.

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- 2 -I.2.Objetivos generales

Evaluar la capacidad de refrigeracin por amonaco instalada en el proceso de

produccin en Cervecera Polar, Planta Los Cortijos.

Realizar el levantamiento y plano de planta de los diferentes equipos y accesorios del

Sistema de Vapor y Condensado de dicha planta

I.3. Objetivos especficos

Realizar el levantamiento del sistema de amonaco instalado para recopilar

informacin necesaria para el desarrollo de la evaluacin.

Analizar las caractersticas de los equipos, los procesos y operaciones realizadas en el

sistema.

Determinar la capacidad del sistema en base a la capacidad de los equipos instalados

para la refrigeracin.

Determinar la demanda de los consumidores presentes en el sistema de refrigeracin

por amoniaco.

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- 3 -I.4. Justificacin del Proyecto

El proyecto consta de dos objetivos fundamentales, independientes entre s, pero

ambos de gran importancia para la Gerencia de Servicios Industriales de Planta Los Cortijos,

Cervecera Polar C.A..

En el proceso de elaboracin de la cerveza y malta, la operacin del sistema derefrigeracin juega un papel fundamental para la obtencin de un producto de calidad, por ello

la importancia de conocer su comportamiento ante las demandas de los consumidores del

mismo, para poder evaluar la gestin del sistema actual y analizar las condiciones para un

futuro crecimiento, y de esta forma mantener un funcionamiento correcto de sus operaciones.

En el caso de la evaluacin del sistema de refrigeracin por compresin de amonaco,

se realizar un estudio y anlisis trmico del sistema utilizando como base los principios

adquiridos en el desarrollo de la carrera de Ingeniera Mecnica de la Universidad Simn

Bolvar, utilizando las herramientas suministradas en materias tales como: Transferencia de

Calor, Termodinmica, Mecnica de Fluidos, Conversin de Energa Mecnica, entre otras.

Otro aspecto a tratar en el proyecto, es el levantamiento de los equipos y la realizacin

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Captulo II. Descripcin de la Empresa

Captulo II.DESCRIPCION DE LA EMPRESA

II.1. Empresas Polar C.A.

Empresas Polar C.A. es el conglomerado industrial ms slido del sector manufacturero

privado venezolano dedicado a las reas de bebidas, alimentos y otras actividades econmicas.

Agrupa ms de 40 compaas bajo un enfoque de concentracin en productos claves, sin perder

de vista las inversiones que abran caminos a la diversificacin.

La produccin y comercializacin de cerveza y malta son actividades medulares de

Empresas Polar C.A., internacionalmente ubicada como la decimocuarta empresa cervecera

ms importante del mundo. El rea de bebidas de Empresas Polar es lder en el mercado de

cervezas de Venezuela, manteniendo a lo largo del tiempo un slido 87% de participacin, el

60% del consumo de maltas.

Con una capacidad instalada de 1.800 millones de litros anuales, en cuatro plantassituadas en puntos estratgicos de la geografa nacional, la innovacin y excelencia en la

elaboracin de Polar comienza con la seleccin de materias primas ptimas que garantizan la

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- 5 -

Figura 2.1. Estructura Organizacional de Empresas Polar C.A.

Fuente: [1]

II.2. Cervecera Polar [1]

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- 6 -II.2.1.Objetivos de Cervecera Polar [1]

Elaborar cerveza y malta con criterios de productividad a travs de la integracin de susrecursos.

Ofrecer al mercado un producto de ptima calidad logrando la competencia y el

progreso en el campo industrial, satisfaciendo la demanda y asegurando su inversin.

Satisfacer, desde el punto de vista social, cultural y econmico a sus empleados y

trabajadores.Garantizar a las distribuidoras un eficiente suministro de producto en trminos de

calidad, cantidad y entrega oportuna, as como tambin el establecimiento de las condiciones

ptimas ambientales y de interaccin con la comunidad.

Velar que todo sea hecho bajo el ms estricto cumplimiento de las normas de higiene y

seguridad industrial.

II.2.2.Plantas Cerveceras [1]

II.2.2.1.Cervecera Polar Los Cortijos C.A

Inicio sus labores en 1951 y actualmente cuenta con una capacidad de produccin de

360 millones de litros al ao, Cervecera Polar Los cortijos C.A. abastece al mercado capitalino

desde el rea metropolitana de Caracas.

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- 7 -II.2.3.Productos [1]

II.2.3.1.Cerveza Polar PilsenCerveza tipo Pilsen con un grado alcohlico de 5, tiene la frmula original, un sabor

distintivo y su botella de color mbar que preserva mejor su sabor. Se presenta en botellas

retornables de 222 y 330 mililitros, y no retornables de 355 mililitros, latas no retornables de

295 y 355, adems en barriles metlicos retornables de 30 y 50 litros de capacidad.

II.2.3.2.Cerveza Polar LightEs una cerveza suave con un grado alcohlico de 4. Se envasa en botellas retornables

de 222 mililitros y no retornables de 355 mililitros, y en latas no retornables de 250 mililitros

de capacidad.

II.2.3.3.Cerveza Solera

Se encuentra entre las cervezas tradicionales, como la Cerveza Premium, con un grado

alcohlico de 6. Se envasa en botellas retornables de 222 mililitros, botellas no retornables de

300 mililitros, y latas no retornables de 295 de capacidad.

II.2.3.4.Solera Light

Solera Light es la opcin Premium dentro de la categora Light, con 4,5 de grado de

alcohol. Se envasa en botellas retornables de 222 mililitros, botellas no retornables de 300

mililitros, y latas no retornables de 295 de capacidad.

II.2.3.5.Cerveza Ice

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- 8 -II.2.4.Descripcin del Proceso Productivo [2]

El proceso productivo de la cerveza comienza con la seleccin de la materia primaadecuada: agua, cebada malteada, hojuelas de maz o arroz, lpulo y levadura. Los cinco (5)

tipos de agua que se utilizan en los diferentes procesos que tienen lugar en la planta, son

suministrados por P.T.A.B (Planta de Tratamiento de Aguas Blancas), las cuales son: filtrada,

agua CNP o descarbonatada, suave, desmineralizada y recuperada.

La cebada malteada es la materia prima por excelencia utilizada para la elaboracin de

la cerveza y es 100% importada de Europa y Norteamrica. Para ser utilizada en el proceso

cervecero, la cebada debe someterse a un proceso llamado malteado. Una vez que se obtiene

malteada, estar lista para contribuir a la formacin del aroma, sabor, cuerpo, y color de las

Cervezas Polar.

La flor de la planta llamada Lpulo es tambin un componente clave, pues proporciona

a la cerveza su caracterstico aroma y amargor, interviniendo al mismo tiempo en la

estabilizacin del sabor y en la retencin de la espuma. Esta materia prima proviene

principalmente, al igual que la cebada malteada, de pases europeos.

La levadura es un microorganismo que mediante el proceso de fermentacin, convierte

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- 9 -II.2.4.1. Recepcin de Cebada Malteada

La cebaba malteada es almacenada adecuadamente en los silos hasta que pasen a formarparte del proceso de elaboracin de la cerveza.

II.2.4.2. Molienda

La cebada malteada es triturada en molinos de rodillos, para luego ser enviada a la paila

de mezcla para separar la cscara del grano. La cscara ser utilizada como medio filtrante,

mientras que del grano ser extrado el almidn necesario par continuar el proceso de

elaboracin.

II.2.4.3. Maceracin

En la paila se mezcla la cebada malteada ya molida con hojuelas de maz y agua, y

mediante el proceso de maceracin, que se realiza bajo constante agitacin y altas

temperaturas, se crearn las condiciones ptimas para convertir el almidn y las protenas en

azcares fermentables, sobre los cuales actuar la levadura durante la etapa de fermentacin.

II.2.4.4. Filtracin

Se bombea la mezcla hacia la cuba de filtracin, a fin de separar la parte lquida o el

mosto de la fraccin insoluble conocida como afrecho o nepe (subproducto rico en protenas y

fibras utilizado industrialmente como aditivo para la fabricacin de alimentos para animales).

II.2.4.5. Coccin

El mosto es llevado a punto de ebullicin en la paila, para luego dosificar el extracto de

l l l d l b l i l

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- 10 -II.2.4.8. Filtracin

Una vez concluida la fermentacin se obtiene como resultado una cerveza verde, la cualseguidamente se somete al proceso de maduracin alcanzando el aroma y sabor caracterstico

de una cerveza de calidad. En los filtro se clarifica la cerveza, dndole brillantez y estabilidad

fisicoqumica. El gas carbnico, extrado durante la fermentacin para su purificacin, es

reinyectado a la cerveza a su salida de filtracin, para darle la frescura y promover la formacin

de espuma.

II.2.4.9. Almacenamiento

Concluye as la elaboracin de las Cervezas Polar. Y una vez colocada en los tanques de

Gobierno, est lista para ser envasada.

Las siguientes etapas corresponden al proceso de envasado:

II.2.4.10.Despaletizado

Los envases regresan al Centro de produccin agrupados sobre paletas de madera, y

estos son extrados de las mismas y colocados en las lneas de produccin.

II.2.4.11.Desembalado

Las botellas son extradas de las cajas a travs de la desembolsadora y colocadas en un

transportador.

II.2.4.12.Lavado

E l d l d l id i d

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- 11 -II.2.4.15.Pasteurizacin

Luego de verificar el correcto tapado y nivel de lquido en el inspector de botellasllenas, y antes de abandonar la lnea, el producto envasado es sometido a un proceso de

pasteurizacin para proporcionarle al consumidor una cerveza microbiolgicamente apta.

II.2.4.16.Embalado

Mediante maquinarias automatizadas se colocan los envases en cajas plsticas, y para

garantizar que estn completas, pasan por un inspector antes de efectuarse el proceso de

paletizado y despacho.

II.2.4.17.Paletizado

Las cajas con el producto terminado son transportadas a una mquina que las agrupa en

un determinado patrn y las coloca sobre la paleta de madera. Este patrn se disea a fin de

proporcionar la mayor estabilidad a la carga durante el manejo y transporte.

En las Figuras 2.2 y 2.3 se puede observar el proceso productivo de Elaboracin y

Envasado de la cerveza explicado anteriormente.

II.3.Gerencia de Servicios Industriales

La gerencia de servicios industriales es el departamento encargado del control y

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Captulo III. Descripcin de los procesos de Sala de Mquinas

Captulo III.DESCRIPCION DE LOS PROCESOS DE

SALA DE MAQUINAS

III.1.Procesos de Sala de Mquinas

La Sala de Mquinas, es donde se encuentran los sistemas de servicios auxiliares, loscuales son los encargados de generar, recibir, convertir y distribuir la energa necesaria a las

diferentes partes del proceso de produccin de cerveza y malta. En la planta Los Cortijos de

Cervecera Polar, C.A., ella se encuentra bajo la supervisin de la Gerencia de Servicios

Industriales. Los servicios que se pueden encontrar en la sala de mquinas son: aire, vapor,

dixido de carbono (CO2), agua grado plato o agua carbonatada, agua helada, glicol y

amonaco (NH3), los cuales sern explicados a continuacin:

III.1.1. Sistema de Aire

III.1.1.1.Objetivo

El objetivo es controlar los servicios de aire hmedo y seco, y realizar los pasosnecesarios para suministrar este recurso a todos los sistemas que lo requieran.

III 1 1 2 D i i l d l

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III.1.2. Sistema de Vapor

III.1.2.1.Objetivo

El objetivo del sistema es realizar las operaciones para suministrar, dentro de los

parmetros requeridos, el vapor a los diferentes clientes internos.

III.1.2.2.Descripcin general del proceso

El sistema de vapor se inicia en un tanque de precalentamiento, denominado tanque

G, en el que se recolecta el condensado proveniente de la condensacin del vapor de agua

utilizado en los diferentes procesos de Planta Los Cortijos y all se completa el volumen que

no retorn como condensado, con agua desmineralizada, procedente de P.T.A.B., y toda ella

ser utilizada como agua de alimentacin para las calderas.

En el tanque, el agua y el condensado son precalentados hasta 90 C con vapor paraevitar choques trmicos por diferencia de temperaturas y para hacer que el proceso de

evaporacin en las calderas sea mucho ms rpido disminuyendo el consumo de gas en stas.

El agua desmineralizada y el condensado ya mezclados, se dirigen hacia dos tanques

horizontales o desgasificadores en los cuales se disminuye el contenido de oxgeno en el aguade alimentacin de calderas a travs de una torre desgasificadora. sta utiliza vapor en contra

flujo eliminando el oxgeno del agua proveniente del tanque de precalentamiento a fin de

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- 18 -En Planta Los Cortijos la capacidad de generacin total de vapor es de 260.000 lb/h,

proveniente de tres calderas, dos de alta presin: calderas nmero 6 (60.000 lb/h) y 7

(80.000lb/h), y una de baja presin: caldera nmero 8 (120.000 lb/h).

El vapor de alta presin generado por las calderas nmero 6 y 7 con una presin de 570

psig y una temperatura de 380 C, es distribuido a travs de un manifold de alta presin hacia

un turbo-generador donde la energa trmica del vapor es primero convertida en energa

mecnica, al pasar por una turbina y haciendo girar su rotor el cual, a su vez, activa el

generador adjunto convirtiendo ahora la energa mecnica en elctrica.

Luego, el vapor sobrecalentado sale del turbo-generador con baja presin entre 60 y 70

psig y una temperatura de 180 C aproximadamente y es dirigido al manifold de baja presin

para el consumo en la planta.

Por otra parte, el vapor saturado generado por la caldera nmero 8 es dirigido hacia el

manifold de baja presin y de ah distribuido a los consumidores en toda la planta, y el

excedente se dirige a los condensadores de vapor. De esta manera, se puede indicar que las

calderas 6 y 7 se utilizan para generar vapor que se suministrar al turbo-generador yposteriormente a los consumidores en la planta, mientras que la caldera 8 proporciona casi el

d bl d l l i l ili d d i d i d

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III.1.3. Sistema de CO2

III.1.3.1.Objetivo

El objetivo del sistema es recuperar y almacenar CO2para satisfacer la demanda de los

usuarios del proceso de produccin de la cerveza. Este sistema es un servicio usado en la

carbonatacin del agua, la presurizacin del producto a envasarse y en el vaciado de

tanques.


El CO2se origina en la fermentacin del mosto de cerveza durante su elaboracin, es

decir proviene de la fermentacin en los Tanques Cilndrico Cnicos (TCCs) y cubas de

fermentacin, de donde se recupera y pasa a las trampas de espuma, que tienen como funcin

separar los restos de levadura y partculas slidas que arrastra el CO2, sedimentndolas en el

fondo de la misma.

El gas que sale de ellas es conducido a los 4 compresores, que lo envan a Sala de

Mquinas, all existen dos lneas gemelas que se encargan de procesarlo de la siguiente

manera: el gas es llevado a la lavadora de CO2, pasa a travs de un pre-enfriador y un

separador de gotas, que consiste en un intercambiador de calor que opera con alcohol comofluido refrigerante y cuyo fin es bajar la temperatura hasta los 8 C y condensar parte del vapor

de agua que trae consigo el CO2

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III.1.4. Sistema Agua Grado Plato o Agua Carbonatada:

III.1.4.1.Objetivo

El objetivo de este proceso es producir agua carbonatada para la preparacin de los

filtros, empuje de la cerveza, correccin de la cerveza, entre otros.


La Planta Los Cortijos cuenta con tres plantas productoras de agua grado plato

ALDOX, APV y HAFFMANS, cuyas capacidades en conjunto alcanzan los 1300 HL/h. A

continuacin se presenta el proceso realizado en ellas:

El agua CNP o descarbonatada proveniente de la Planta de Tratamiento de Aguas

Blancas (P.T.A.B.), es previamente tratada para garantizar que la misma sea apta, es decir,

presentar un bajo contenido de slidos suspendidos, estar libre de materias orgnicas, color,sales de hierro y manganeso para evitar obstrucciones y daos en los equipos en los que se

utilizar, luego es dirigida hacia un tanque de compensacin donde es almacenada para

posteriormente ser extrada y bombeada hacia un intercambiador de placas agua-agua, donde

se precalienta el agua y se refresca el agua ya aireada, seguidamente se hace pasar por un

intercambiador de tubos agua-vapor donde se calienta con un flujo de vapor a una temperaturaentre 74 y 80 C, con la finalidad de disminuir la solubilidad de los gases en el agua y facilitar

la extraccin o el desprendimiento del oxgeno disuelto la misma

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- 23 -Finalmente el agua pasa al carbonatador donde se combina con el dixido de carbono

para as obtener el agua carbonatada o agua grado plato con valores de concentracin de

oxgeno menores a 30 ppb.

En la Figura 3.4 y 3.5 se pueden observar los diagramas de flujo de la planta ALDOX

y APV, respectivamente, mostrando claramente como es el proceso antes descrito

III.1.5.Agua helada

III.1.5.1.Objetivo

El objetivo es suministrar agua helada a los sistemas de enfriamiento por agua. Es el

fluido encargado de enfriar el mosto, para el sistema de aire acondicionado, cava de levadura y

preparacin de colorante.III.1.5.2.Descripcin general del proceso:

El agua CNP que proviene de P.T.A.B., se enfra en tres intercambiadores amonaco-

agua cuya finalidad es enfriar y mantener al agua a una temperatura entre 2 y 4 C. De ah es

enviada a la cava N 9 donde es almacenada en cuatro tanques desde los cuales se suple a los

consumidores. Estos tanques poseen una recirculacin que garantiza una temperatura de

operacin ptima dentro del intervalo requerido por los consumidores.

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III.1.6. Sistema de Glicol

III.1.6.1.Objetivo

El objetivo de este sistema es realizar las operaciones necesarias para mantener el

glicol a una presin y a una temperatura adecuada. Se emplea glicol, diluido con agua como

refrigerante secundario en algunos procesos que estn involucrados en la elaboracin de la

cerveza y la malta. En Cervecera Polar C.A., este sistema es llamado el sistema de alcohol,

por lo cual el resto del trabajo ser llamado de esta forma.


Se encuentra compuesto por seis enfriadores alcohol-amonaco, donde la temperatura

del alcohol se lleva a -3 C. Una vez fro, se distribuye a los usuarios, usando un sistema de

circuito cerrado de tuberas para el transporte. Una vez utilizado, el alcohol se recircula a los

enfriadores para adecuarlo nuevamente. En la Figura 3.7, se muestra el diagrama de flujocorrespondiente.

III.1.7.Sistema de refrigeracin por amonaco (NH3)

El objetivo de este sistema es mantener un flujo constante de amonaco para

proporcionar la refrigeracin necesaria para que los diversos equipos usuarios (CO2, glicol,

agua grado plato, tanques cilndricos cnicos, agua helada, enfriadores de cerveza, malta y

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Captulo IV. Bases Tericas del Sistema de Refrigeracin por Amonaco

Captulo IV.BASES TEORICAS DEL SISTEMA DE

REFRIGERACION POR AMONIACO

IV.1.Refrigeracin [5]

La refrigeracin es el proceso de reduccin y mantenimiento de la temperatura (a unvalor menor a la del medio ambiente) de un objeto o espacio. La temperatura es el reflejo de la

cantidad o nivel de energa que posee el cuerpo, ya que el fro propiamente no existe, los

cuerpos solo tienen ms o menos energa interna.

La reduccin de temperatura se realiza extrayendo energa del cuerpo, generalmentereduciendo suenerga trmica, lo que contribuye a reducir la temperatura de este cuerpo. La

refrigeracin implica la transferencia de energa de un cuerpo que se pretende enfriar a otro,

aprovechando sus propiedades termodinmicas, es decir enfriar corresponde a retirar energa

(calor).

IV.2.El Refrigerante

El refrigerante es un fluido que absorbe calor por evaporacin, a baja temperatura y
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_t%C3%A9rmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_t%C3%A9rmica

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- 30 -Tabla 4.1. Punto de ebullicin normal del refrigerante

Refrigerante

Punto de

ebullicin

R-717 239,1K (-34C)

R-22 232,1 K (-41C)

R-134 247,1 K (-26C)

R-404 226,1 K (-47C)R-290 231,1 K (-42C)

Fuente: [6]

Los refrigerantes se pueden clasificar en:

Primario: se denominan as cuando el transporte de calor se realiza con una sola

sustancia qumica, la cual se evapora a una baja temperatura.

Secundario: en este caso se presentan dos sustancias qumicas diferentes en el

transporte de calor. El refrigerante primario se evapora y el refrigerante secundario es

enfriado por el primario y sin cambiar de fase, transporta el efecto refrigerante del sistema

principal a los diferentes ambientes que deben ser refrigerados.

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- 31 - Volumen especfico pequeo (o densidad alta) especialmente en la fase gaseosa,

con lo cual los equipos son de menor tamao.

Punto o temperatura de congelacin baja, con el fin de que el refrigerante no se

solidifique durante su operacin.

Condiciones crticas (presin y temperatura) altas, ya que se sabe que un lquido

no puede evaporarse o condensarse a temperaturas mayores que la temperatura crtica.

Calor latente de evaporacin alto, pues as se logra un mayor efecto de

enfriamiento por unidad de masa de refrigerante que circula.

Viscosidad baja para as evitar grandes prdidas de energa por friccin en la

circulacin del fluido.

El refrigerante debe ser qumicamente estable a lascondiciones de operacin.

Debe ser fcilmente detectable, para as comprobar cualquier fuga en el sistema.

Su costo debe ser bajo.

IV.3. El amonaco como refrigerante primario

El amonaco es una alternativa econmica para sistemas industriales ya que adems de

ser el refrigerante ms antiguo que se conoce, es el que tiene mayor capacidad de enfriamiento

por unidad de masa de todos los refrigerantes comerciales, debido a su alto calor latente de

evaporacin. Adems el amonaco puede condensarse sin problemas a presin atmosfrica

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- 32 -El amonaco no debe ser ventilado en reas cerradas por su toxicidad, o en reas con

posibles llamas o chispas, ya que en su forma de gas sus lmites de explosividad oscilan entre

un 16% y un 25% por volumen de aire. En forma lquida produce quemaduras al contacto

directo con la piel, e incluso puede producir ceguera parcial o total al contacto directo con los

ojos.

En fase gaseosa tiene un volumen especfico relativamente grande, por lo cual es muy

apropiado el uso de compresores centrfugos, aunque tambin se usan compresores

alternativos en algunos casos. [8]

No es miscible con el aceite y por ello no se diluye. Sin embargo deben hacerse los

arreglos necesarios para eliminar el aceite del evaporador y deber usarse un separador de

aceite en el tubo de descarga de los sistemas de amonaco. La pureza del amonaco que

suministran los proveedores para fines de refrigeracin debe ser 99,95% (no ms de 500 ppm

de agua) segn el Instituto Internacional de Refrigeracin con Amonaco y no debe poseer ms

de 5 ppm de aceite.

IV.3.1.Propiedades del amonaco [8]

- Temperatura de congelacin (108 F)

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- 33 -

Figura 4.1.Diagrama T-s del ciclo ideal por compresin de vapor

Fuente: [9]

Donde:

1-2.- Compresin isentrpica.

2-3 Rechazo de calor a presin constante en un condensador

3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansin (isentalpica)

4-1 Absorcin de calor a presin constante en un evaporador

Nota: los estados con nmeros con primas como superndices en la figura 4.1

representan al ciclo invertido de Carnot, otro ciclo de refrigeracin.

Los cuatro componentes bsicos de un sistema de refrigeracin por compresin de

vapor son: el compresor, el condensador, la vlvula de expansin y el evaporador, y se pueden

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- 34 -El ciclo comprende 2 presiones, una de alta o descarga y otra de baja o succin, que

permite desarrollar un proceso contino para producir un efecto de enfriamiento.

IV.4.1.Presin de Succin

Llamada tambin presin de baja, es la presin existente entre el evaporador y la

entrada del compresor. Esta presin fija la capacidad del sistema.

IV.4.2.Presin de DescargaLlamada tambin presin de alta, es la presin existente entre la descarga del

compresor y el condensador.

En un ciclo ideal por compresin de vapor, el refrigerante entra al compresor en el

estado 1 como vapor saturado y se comprime isentrpicamente hasta la presin del

condensador. Durante el proceso de compresin isentrpica la temperatura del refrigerante

aumenta hasta un valor bastante superior al de la temperatura del medio circundante, como el

aire atmosfrico. Despus el refrigerante entra al condensador como vapor sobrecalentado en

el estado 2 y sale como lquido en el estado 3, como resultado del rechazo de calor hacia los

alrededores. La temperatura del refrigerante en ese estado se mantendr por encima de la de

los alrededores. [10]

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- 35 -IV.5.Ciclos reales de refrigeracin por compresin de vapor [10]

Los ciclos reales difieren de los ciclos ideales de varias maneras, pero la raznprincipal de estas divergencias son las irreversibilidades existentes en los equipos. Las

principales fuentes de irreversibilidades son: la friccin del fluido (que provoca cadas de

presin) y la transferencia de calor hacia los alrededores o desde ste al refrigerante.

Las principales diferencias entre el ciclo real y el ideal se enumeran a continuacin:

- El refrigerante sale del evaporador y no entra al compresor como vapor saturado. Esto

como consecuencia de la transferencia de calor de los alrededores al refrigerante.

Adems se produce una cada de presin a la salida del evaporador hasta la entrada del

compresor, debido a la friccin del fluido con la tubera.

- El proceso de compresin ideal es internamente reversible y adiabtico, y en

consecuencia isentrpico. Pero en la realidad el proceso de compresin incluir la

friccin entre el refrigerante y el equipo, lo cual incrementa la entropa y la

transferencia de calor.

- En el caso ideal el refrigerante sale como lquido saturado a la presin de salida del

compresor, pero en la realidad esto no ocurre. En primer lugar es sumamente

complicado controlar la condensacin de modo que a la presin del condensador el

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Captulo V. Descripcin del Sistema de Refrigeracin por Amonaco deLa Planta Los Cortijos, Cervecera Polar

Captulo V.DESCRIPCIN DEL SISTEMA DE

REFRIGERACIN POR AMONIACO DE LA PLANTA LOSCORTIJOS, CERVECERIA POLAR

Para comenzar con la descripcin del sistema de refrigeracin con el uso del amonaco

como refrigerante principal en la Planta Los Cortijos de Cervecera Polar C.A., inicialmente se

presentar la descripcin de los equipos presentes en un sistema de refrigeracin por

compresin, para luego pasar a la descripcin de forma detallada del sistema de refrigeracin

propiamente dicho.

V.1.Equipos del Sistema

V.1.1.Compresor

Un compresor es una mquina cuya funcin es elevar la presin del refrigerante en

forma gaseosa a una presin de descarga ms alta. Los compresores utilizados para elevar la

presin del amoniaco en Cervecera Polar C.A son:

V.1.1.1.Compresor de Tornillo Helicoidal de Dos EjesLos compresores de tornillo helicoidal de dos ejes constan de dos tornillos

helicoidales q e engranan con s s perfiles cnca o con e o imp lsan hacia el otro lado el

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Captulo V. Descripcin del Sistema de Refrigeracin por Amonaco deLa Planta Los Cortijos, Cervecera Polar C.A.

- 37 -V.1.3.Condensador Evaporativo

En el condensador se realiza el intercambio de calor del refrigerante, lo cual permite elcambio de estado gaseoso a lquido. El intercambio trmico se realiza a aproximadamente

presin constante por lo cual el equipo recibe refrigerante a alta presin y lo entrega a la

misma presin pero menor temperatura.

En los condensadores evaporativos el gas refrigerante se hace circular a travs de un

serpentn. Mientras tanto el agua del circuito secundario es pulverizada sobre los tubos. Al

mismo tiempo el ventilador hace pasar una corriente de aire que pasa a travs del serpentn y

evapora una pequea cantidad de agua. Esta evaporacin se hace a costa del calor sustrado

del gas refrigerante que pasa por el serpentn, refrigerando y condensando dicho gas. [12]

(Ver anexo C.4)

V.1.4.Dispositivos de expansin

Son los dispositivos mediante los que se realiza la reduccin de presin isoentlpica

desde la presin de condensacin hasta la evaporacin.

Los elementos utilizados son:

V.1.4.1.Tubo capilarEl tubo capilar es el caso ms sencillo de dispositivo de expansin, pues consiste

i t t b d di t t t i d l fl j d l id

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- 38 -V.1.5.Tanque Recibidor

Tanque de almacenamiento de amoniaco procedente de los condensadores paraposteriormente ser distribuido a los consumidores. (Ver anexo C.5)

V.1.6.Trampa de Succin

Recipiente a presin donde retorna el amoniaco en estado de mezcla procedente de los

consumidores con la finalidad de separar las fases lquida y gaseosa. La fase lquida retorna a

los tanques recibidores y la fase gaseosa retorna a los compresores. (Ver anexo C.6)

V.1.7.El evaporador [16]

El evaporador es otro elemento importante en toda instalacin frigorfica, ya que en

este equipo se produce el efecto frigorfico para enfriar un espacio. Estos equipos son

recipientes cerrados donde se efecta la ebullicin del refrigerante lquido, mediante laabsorcin del calor interno de un espacio. El evaporador recibe refrigerante a baja presin y

baja temperatura y lo entrega a baja presin y alta temperatura.

Existen diversos tipos de evaporadores, puesto que las aplicaciones donde es necesario

producir fro artificial son tan variadas, que requieren temperaturas y grados de humedad

diversos. En general se pueden clasificar los evaporadores en tres grandes grupos:

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- 39 -V.2.Sistema Principal de Amonaco

Una vez descritos los equipos presentes en un sistema de refrigeracin por compresin,a continuacin se proceder con la descripcin del sistema principal de amonaco de Planta

Los Cortijos y sus equipos:

El proceso que sigue el sistema se inicia cuando el amonaco es succionado por los

compresores de la trampa la cual es un equipo que se utiliza para recibir el NH3gaseoso que

retorna de los consumidores y a la vez, se encarga de separar las partculas de amonaco

lquido existentes para evitar que stas se dirijan a los compresores, pues podran ocasionarles

serios daos.

La trampa, cuenta adems con un serpentn que se encarga de enfriar con amonaco

gaseoso el NH3 lquido que va a los consumidores por lo que podra considerarse como un

intercambiador de calor, de hecho ste es el punto de menor temperatura en todo el sistema

debido a la expansin del amonaco en el interior de la misma.

Por otra parte, como el NH3 tambin arrastra aceite de los compresores, la trampa

cuenta con un depsito o separador de aceite en el fondo donde lo almacena, para evitar que la

transferencia de calor en los consumidores resulte deficiente. Actualmente, Planta Los Cortijos

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- 40 -Tabla 5.1. Datos de placa de los compresores del sistema de amonaco.

Equipo Marca

Capacidad

(m3/h)

Toneladas de

Refrigeracin

Compresor 11 GHH 2.500 500

Compresor 12 Mycom 4821 800

Compresor 13 Sabroe 4.821 800




Fuente: Elaboracin propia.

Tabla 5.2. Comportamiento de la temperatura del amonaco segn la presin de trabajo.

Etapa Estado Presin(Psi)

Temperatura( C)

Succin de los compresores Gas 33 - 35 -8 a -12

Descarga de los compresores Gas 150 - 170 75 - 85

Fuente: Elaboracin propia.

El amonaco es un refrigerante que, en estado gaseoso, a bajas presiones tiende a ser

menor su temperatura y que a presiones ms elevadas se obtienen mayores temperaturas. As,

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- 41 -De igual forma, es importante controlar la presin de descarga de los compresores y

asegurarse que sta se encuentre entre 150 170 psig, ya que mantenindola dentro de este

intervalo, el amonaco llegar con la presin necesaria a todos los puntos de la planta donde

ste se requiera.

Una vez comprimido el amonaco en estado gaseoso, es llevado a unos separadores de

aceite. El amonaco y el aceite son separados valindose su inmiscibilidad, y de que el

amoniaco gaseoso posee la menor densidad. El NH3 en su fase gaseosa se posiciona en la parte

superior del separador donde es succionado y dirigido hacia el manifold que alimenta a los

condensadores evaporativos.

El sistema de amonaco de Planta Los Cortijos, posee ocho condensadores

evaporativos cuyo funcionamiento consiste, en primer lugar, en la condensacin del amonaco

a travs de un flujo de agua, la cual cae sobre un serpentn que contiene al amonaco y al hacer

contacto, sta se evapora. En segunda instancia, una corriente de aire que proviene de un

ventilador enfra el vapor de agua para disminuir la humedad ambiental y hacer que la

condensacin del gas sea efectiva.

El amonaco condensado, el cual ha disminuido su temperatura desde los 80 C en

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- 43 -V.3.Sistema de Baja Presin

El tanque de amonaco de baja presin tiene como funcin recibir, almacenar ydistribuir todo el amonaco lquido a los consumidores del sistema de baja presin,

permitiendo amortiguar las fluctuaciones de carga que puedan existir. (Ver anexo C.7)

Este equipo recibe amonaco proveniente de los tanques cilindros cnicos a travs

de dos tuberas de 8 in de dimetro que se conectan tambin con la lnea proveniente de los

difusores de ambiente de 4in de dimetro.

En resumen las lneas que retornan amoniaco al tanque de baja presin son:

1. Lnea de 8 in proveniente de los TCC 102,103, 104, 201, 202, 203, 204.

2. Lnea de 8 in proveniente de los TCC 105, 106, 107, 205, 206, 207.

3. Lnea de 4 in proveniente de los difusores de ambiente.

Por otro lado, el tanque de baja presin tiene conectada una lnea de 2 in de

dimetro de reposicin de amoniaco, la cual proviene del manifoldque se encuentra a la

descarga de las trampas de succin, adicionalmente el tanque tiene una lnea de 1 in de

dimetro el cual suministra gas caliente al tanque y una lnea de 1 in de dimetro ubicada

en el fondo del tanque la cual sirve para drenar el aceite acumulado en el fondo del mismo

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- 45 -V.4.Consumidores del Sistema de Amonaco

Una vez descrito cmo opera el ciclo de amonaco, se proceder a indicar losconsumidores de este sistema:

V.4.1.Elaboracin I

V.4.1.1. Tanques Cilindro Cnico (T.C.C)

Los T.C.C. son considerados uno de los consumidores ms importantes de este sistema

y son alimentados por el sistema de amonaco de baja presin. (Ver anexo C.8) Este

subsistema, que consta de un pequeo tanque de almacenamiento, suple a estos tanques con

amonaco proveniente del sistema principal descrito en la Figura 5.1.

En la Planta Los Cortijos actualmente, se encuentran instalados trece T.C.C.

utilizados para el proceso de fermentacin de la cerveza. Estos tanques se identifican con losnmeros: 102 al 107 y 201 al 207 y cuentan en su mayora, con tres chaquetas de enfriamiento

que rodean al tanque y que estn inundadas por amonaco cuyo fin es enfriar y mantener la

temperatura requerida durante el proceso de fermentacin de la cerveza. Vale la pena destacar

que los tanques 105, 106, 107 y 201 poseen cuatro chaquetas en lugar de tres por lo que en

estos ltimos se consume mayor cantidad de NH3.V.4.1.2.Difusores de Ambiente

L dif d bi id d d j d i l f i

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- 46 -V.4.2.Elaboracin II o Filtracin

V.4.2.1.Enfriador de PilsenSu finalidad es enfriar la cerveza, mediante el uso de amonaco, a una temperatura

entre -1 y -1,5 C y mantenerla dentro de ese intervalo previo a ser filtrada. (Ver anexo C.9)

V.4.2.2.Enfriador de Maltn

Su finalidad es enfriar la malta, este producto al salir de los tanques de maduracin, es

enfriado con amonaco antes de ser filtrado a una temperatura entre -1 y -1,5 C. (Ver anexo

C.10)

V.4.2.3.Enfriador de Trasiego

Este enfriador tiene por finalidad enfriar la cerveza que sale de los T.C.C. hacia los

tanques de maduracin y tambin opera con amonaco.

V.4.3.Sala de MquinasV.4.3.1.Enfriadores de alcohol

Los enfriadores de alcohol representan el segundo consumidor ms importante del

sistema de amonaco pues para enfriar el alcohol se requiere un flujo constante de amonaco.

El alcohol, es utilizado como refrigerante secundario, cumple una funcin importante dentro

de la planta pues participa en varios procesos entre los cuales se pueden mencionar: elenfriamiento de las cavas y del mosto, as como el enfriamiento de CO2 en el pre y post

f i d d CO t t E id t i t l h l i l l t

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Captulo VI. Metodologa Empleada

Captulo VI.METODOLOGA EMPLEADA

A continuacin se presenta un diagrama de la metodologa empleada para llevar a cabo

la evaluacin del sistema de refrigeracin por amoniaco.

Familiarizacin y conocimiento de la planta ysu organizacin

Familiarizacin del sistema de refrigeracinde amonaco

Levantamiento de informacin

Clculo de las capacidades

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- 49 -VI.1.Familiarizacin y conocimiento de la Planta y su organizacin

La resolucin de la problemtica encontrada parti del conocimiento del departamento

de servicios industriales y sala de mquinas: su metodologa de funcionamiento, el personal

adjunto y su estructura organizativa, sus funciones, equipos a cargo y su interaccin con los

dems departamentos de la empresa. Esto con la finalidad de conocer el escenario en el cual se

encontraba el personal que laboraba en la sala de mquinas y la operacin del sistema de

refrigeracin.

VI.2.Familiarizacin del sistema de refrigeracin de amoniaco

Posteriormente se inici el estudio del sistema de refrigeracin de amoniaco: su

funcionamiento, equipos involucrados, interrelacin con el proceso productivo, personal que

labora en l (tcnicos de servicios y mecnicos) identificando las funciones que este personal

deba desempear en el sistema de refrigeracin, subsistemas que lo componen y sus

caractersticas.

Luego de comprender la estructura organizativa de servicios industriales y sala de

mquinas, junto a sus principales funciones y responsabilidades, y despus de comprender el

funcionamiento del sistema de refrigeracin, se inici el proceso de levantamiento de

informacin para el anlisis del sistema.

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- 50 - Fortaleza: posee una descripcin precisa del proceso de refrigeracin realizado por el

amoniaco en cada consumidor, y posee la descripcin de al menos un 70% de los equipos

instalados.

Debilidad:no posee informacin sobre un 30% de los equipos instalados, y alguna de la

informacin presentada se encuentra desactualizada, al igual que algunos datos de

operacin han variado.

Una vez realizada una lista inicial de equipos y consumidores en base al manual de

operaciones, se procedi al uso de otras tres tcnicas, Entrevistas Tcnicas, Trabajo de Campo

y uso de la herramienta Visual Plant, las cuales se presentan a continuacin.

VI.3.2.Entrevistas

Se procedi a entrevistar a los tcnicos de sala de mquinas y de cada rea donde elamoniaco es utilizado en el proceso de refrigeracin. Se interrog como mnimo a 3 tcnicos,

para obtener una informacin ms fehaciente y de esa manera poder comparar las divergencias

entre ellos

.

Fortaleza: permita realizar preguntas al tcnico, en caso de no tener claro algn

procedimiento u operacin que se realizaba, y la exposicin de cada equipo poda ser dada

de forma visual

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- 51 - Fortaleza: permiti realizar el levantamiento de forma directa visualizando el proceso,

permitiendo su mejor comprensin. Permita preguntar al tcnico mientras realizaba

alguna maniobra que estaba ejecutando.

Debilidad:en gran parte de los equipos el uso no es continuo, por lo cual se deba esperar

y estar atento al arranque del equipo para poder levantar la informacin necesaria.

VI.3.4.Visual Plant

Visual Plant es un software desarrollado para ser manejado en la Web desde la intranetde la planta con la finalidad de trabajar y obtener informacin de los procesos a lo largo de

toda la empresa. El software rene la informacin de algunos procesos a travs de PLCs

instalados en algunos equipos, ordena y suministra la informacin en tiempo real, adems de

proporcionar los datos histricos de las operaciones.

Fortaleza: proporciona de forma sencilla y precisa la data histrica, ofreciendo grficos

y tablas de los valores registrados, lo que permite la toma de datos certera y no en base a

suposiciones.

Debilidad:gran parte de los procesos no se encuentran aun disponibles, y algunos de los

PLCs se encuentran sin calibracin, adems se debe conocer los intervalos de operacinporque tambin registra los datos de cuando se realiza alguna actividad anormal o cuando

se realizan los CIPs

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- 52 -VI.4.1.Enfriadores de procesos

Los enfriadores de procesos son equipos que refrigeran de forma directa a travs de un

intercambiador de calor, bien sea de placas o de tubos, a los elementos que se necesita retirar

calor a travs de un refrigerante, en este caso se analizaran los que utilizan el amoniaco.

Entre los enfriadores de procesos que utilizan amoniaco como refrigerante se

encuentran:

Enfriador Pilsen

Enfriador Maltn

Enfriador de Trasiego

Enfriadores del Sistema de Alcohol

Enfriadores del Sistema de Agua Helada

Intercambiador NH3-H20 de la Planta Aldox

Intercambiador NH3-H20 de la Planta Haffmans

Sistema de CO2

Inicialmente se realiz una tabla para cada equipo, en la cual se especificaban los

siguientes datos obtenidos de las condiciones de operacin (Anexo A.1):

a. Elemento a enfriar:

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- 53 -Estos datos fueron obtenidos tras el seguimiento de los sistemas, durante un periodo de

un mes, utilizando las diversas metodologas de levantamiento de informacin anteriormente

explicadas. Un aspecto de importancia a destacar fue la imposibilidad de la medicin de forma

directa del caudal volumtrico o el caudal msico del elemento refrigerante (NH3), debido a

que en ninguna de las lneas de suministro o retorno de los equipos se encontraba la

instrumentacin necesaria.

Una vez realizado el levantamiento de los equipos con sus diferentes rangos de

presiones de operacin y temperaturas tanto del refrigerante como del elemento a enfriar, se

procedi al clculo de las capacidades de refrigeracin y el consumo de refrigerante.

En este tipo de enfriadores se procedi a realizar el estudio planteando inicialmente un

volumen de control alrededor de los equipos, debido a que conviene ms analizar elcomportamiento del sistema evaluando exclusivamente las condiciones de entrada y salida,

que el recorrido de una partcula durante todo el proceso.

En base a la Primera Ley de la Termodinmica, en la cual se establece que si se

realiza trabajo sobre un sistema o bien ste intercambia calor con otro, la energa interna delsistema cambiar:

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- 54 -En funcin a este anlisis se procedi al clculo del calor transferido de los elementos

que necesitaran disminuir su temperatura transfiriendo energa al refrigerante, mediante la

ecuacin de calor sensible, debido a que los elementos a los que se le retirara energa no

cambian de fase:

)( TCpmQ eee = (Ec. 6.2)

Siendo:

eQ = flujo de calor transferido por el elemento a refrigerar [W]

em = flujo msico del elemento a refrigerar [kg/s]

eCp = calor especifico promedio del elemento a refrigerar [kJ/kgK]

)( T = diferencia entre la temperatura de entrada y salida del fluido [C]

En la tabla 6.1 se presentan los calores especficos promedio tanto de los elementos a

refrigerar presentes en el sistema como del amoniaco:

Tabla 6.1. Calores especficos promedio @ 30C

ElementoCp

[kj/kg K]

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- 55 -Una vez calculado el calor retirado de los elementos a refrigerar, se toma como

suposicin principal, que el calor disipado es absorbido en su totalidad por el refrigerante, en

este caso el amoniaco, debido a que los equipos se encuentran completamente aislados por

camisas de poliuretano extendido o en algunos casos por dispositivos aislantes propiamente

del equipo, por lo tanto se supone la transferencia de calor al ambiente es despreciable,

resultando:

re QQ = (Ec. 6.3)

Siendo:

rQ = flujo de calor retirado por el refrigerante [W]

De esta forma se procedi al clculo de la masa de refrigerante necesario para la

remocin efectiva de la energa disipada por el elemento a refrigerar. Debido a que el

amoniaco sufre un cambio de fase de lquido comprimido a alta presin a vapor saturado a la

salida del equipo.

)( h

Qm rr

= (Ec. 6.4)

C l VI M d l E l d

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- 56 -VI.4.2.Enfriadores de ambiente

Los enfriadores de ambiente son equipos que en su mayora funcionan como

evaporadores con haces de tubo sobre los que se induce forza por medio de ventiladores y de

esta forma es retirado el calor del ambiente.

Para el clculo de los enfriadores de ambiente principales se procedi a la toma de las

temperaturas y humedades relativas del aire interno y externo del espacio a refrigerar, se midi

la temperatura en las paredes del mismo, adems se utiliz un anemmetro para la toma de las

velocidades del aire, tomando las mediciones de forma perpendicular a las paredes, debido a

que el flujo de aire se desplaza sobre ellas de forma paralela.

El instrumento utilizado para la medicin de las temperaturas y humedades relativas

del aire fue un Termo-higrmetro elctrico, marca Extech, modelo 445703 - Big Digit

Hygro-Thermometer, con un intervalo de medicin de:

- Temperatura: desde -10 hasta 60C. Error: 1C

- Humedad: desde 10 hasta 99% RH. Error 5%RH

El instrumento utilizado para la medicin de las temperaturas en las paredes, es un

C l VI M d l E l d

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- 57 -Teniendo registrados los datos de los espacios que necesitan refrigeracin, se procedi

a generar una tabla con los siguientes reglones:

- Anchura de la pared

- Altura de la pared

- Temperatura de la pared

- Velocidad del aire

- Temperatura del aire

Un aspecto a destacar fue la medicin de las velocidades del aire, las cuales fueron

tomadas durante cinco das, a distancias de cinco metros entre cada medicin, de forma

perpendicular a las paredes, debido a que el flujo se desplazaba paralelamente sobre las

paredes. En el suelo tambin se tomo las mediciones de forma perpendicular a la superficie,debido a que el aire era recirculado alrededor de las cubas y su movimiento era paralelo al

mismo.

Los fundamentos utilizados para el clculo de la capacidad de refrigeracin de los

equipos, partieron por la realizacin de un estudio de las cargas trmicas en los ambientes arefrigerar en base a las condiciones presentes, considerando estado estacionario.

C t l VI M t d l E l d

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- 58 -VI.4.2.1.Cargas por transmisin

Las cargas por transmisin, son las debidas al calor transferido a travs de las paredes,

pisos y techos, la cual vara dependiendo de las condiciones externas e internas del ambiente,

adems del tipo de construccin, en el cual juega un papel fundamental el espesor y tipo de

material aislante empleado en las paredes. La ecuacin que representa la carga por transmisin

es la siguiente:

)( 21 TTUAQtrans = (Ec. 6.5)

Donde

transQ = calor de transmisin [W]

U= coeficiente de transmisin de calor [W/m2K]

A= rea de la superficie en anlisis [m2]

1T = temperatura del ambiente externo [C]

2T = temperatura del ambiente interno [C]

Modelando el sistema como conveccin y conduccin, tomando en consideracin que

la pared se encuentra compuesta por dos materiales (aislante y material de construccin) y que

el comportamiento es similar a lo largo de toda la pared, la transferencia de calor a travs de la


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- 59 -

Figura 6.2. Circuito trmico representativo de la transferencia de calor a travs de la pared

Fuente: Elaboracin Propia

AhAk

l

Ak

l

Ah

TTQ

b

b

a

a

trans

21

21

11

)(

+++

= (Ec. 6.6)

Donde

h1= coeficiente de transferencia de calor por conveccin externo [W/m2 C]


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- 60 -Para determinar el coeficiente de conveccin, se model como flujo paralelo a una

placa plana. Las velocidades son muy bajas, se determinar el tipo de conveccin

predominante o si por el contrario es mixta. Por ello se evaluarn las siguientes condiciones:

Tabla 6.2. Tipo de Conveccin

Tipo de Conveccin Pr 1

Conveccin forzada (Gr/Re ) 1

Conveccin mixta (Gr/Re ) 1Conveccin natural (Gr/Re ) 1

Fuente: [17]

Para conveccin forzada su supuso flujo paralelo a una placa plana por lo tanto el

coeficiente convectivo ser de la siguiente manera:

Flujo paralelo a una placa plana para conveccin forzada flujo laminar(S Rel 5x10

5; Pr > 0,5)

31

21

PrRe664,0 = lfNu (Ec.6.11)

Donde

Captulo VI Metodologa Empleada

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- 61 -Para la conveccin natural el coeficiente convectivo depender de la orientacin de la

placa, por lo tanto las correlaciones correspondientes son:

Flujo sobre una placa vertical para conveccin natural flujo laminar(S Ral 10

9)

( ) 41

67,068,0 += lN RaNu (Ec.6.13)

Donde

NNu = Numero de Nusselt conveccin natural

Flujo sobre una placa vertical para conveccin natural flujo turbulento(S 109 < Ral 10

12)

( ) ( ) 121

841

106,1167,068,0 ++= llN RaRaNu (Ec.6.14)

Siendo:

916

169

Pr

492,0

1

+= (Ec.6.15)


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- 62 -

( ) 31

33

FN NuNuNu += (Ec.6.16)

Una vez calculado los coeficientes de transferencia de calor por conveccin se pas al

clculo de las cargas por transmisin con la ecuacin 6.6, empleando los siguientes valores de

conductividad.

Tabla 6.3. Conductividades de los materiales constructivos

MaterialK

[W/m.K]

Poliuretano espuma rgida 0,026

Bloque de construccin 0,056

Fuente: [18]

VI.4.2.2.Infiltracin del aire

La infiltracin del aire es otra carga representativa debido a que al abrirse la puerta de

un espacio refrigerado, el aire caliente del exterior entra al espacio para reemplazar al aire fro

ms denso, esto constituye una prdida en el espacio refrigerado. El calor que debe ser

eliminado por este aire caliente del exterior para reducirle su temperatura y contenido dehumedad a las condiciones de diseo del espacio, constituye una parte de la carga de


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- 63 -Donde:

Qia= carga por infiltracin de aire externo [BTU/h]

V = Volumen interior del espacio refrigerado [ft3]

B = Calor removido [BTU/ft3] por medio de la temperatura interior del espacio

refrigerado, temperatura del aire de entrada y humedad relativa del aire de entrada,

Tabla 6.4

F = Frecuencia de renovacin cada 24 horas segn volumen de la cmara, Tabla 6.5

Tabla 6.4. Calor removido en enfriamiento de aire para las condiciones de un espacio

(BTU/ft3)

Fuente: [18]


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- 64 -VI.4.2.3.Cargas del producto

La carga del producto, es referida a la energa interna que cede el producto al entorno

para su refrigeracin, en este caso ocurre un fenmeno contrario, al ingresar el producto a

menor temperatura que el ambiente, ste absorbe calor del mismo. El calor absorbido vara

dependiendo de la cantidad de producto, la cantidad de das que dura el producto en

almacenamiento, la temperatura inicial del producto y la temperatura del ambiente. El calor

absorbido por el producto se calcula de la siguiente forma:

hdiasN

TTCpmQ

ppp

p24

)(

=

(Ec.6.17)

Siendo:

Q= calor absorbido por el producto [kJ/h]

pm = masa del producto [kg]

pCp = calor especifico del producto [kj/kgK]

T= temperatura del ambiente interno [C]

T= temperatura inicial del producto [C]

Ndias= nmero de das que es almacenado el producto

VI.4.2.4.Cargas por piso hmedo

En los cuartos de almacenamiento se realizan limpiezas constantes para evitar la


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- 65 -VI.4.2.5.Carga por motores

Los evaporadores para su accionamiento necesitan el uso de motores elctricos, los

cuales debido por su naturaleza disipan parte de la energa en forma de calor, por lo cual esta

vara dependiendo de la potencia del mismo. El calor suministrado al ambiente por estos

equipos se calcula de la siguiente forma:

coincmotoresmotor f

HPh

BtuPotNQ

= 2525 (Ec. 6.19)

Donde:

motorQ = carga por motores [kJ/h]

Nmotores= numero de motores

Pot= potencia de los motores [HP]coinc= factor de coincidencia o uso de los motores

VI.4.2.6.Cargas por iluminacin

En adiccin se encuentra el calor transmitido por la iluminacin que se tiene dentro del

espacio que necesita ser refrigerado, esta es una carga que vara con el espacio iluminado, la

potencia de los bombillos instalados y la cantidad de ellos. El calor debido a las luces se puede

hallar por la siguiente expresin:


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- 66 -VI.4.3.Caso especial: TCCs

Un caso especial es el clculo de los Tanques Cilndricos Cnicos debido a que su

carga depender del proceso que se est realizando en su interior. En estos tanques se realizan

los procesos de fermentacin y maduracin de la cerveza.

El proceso realizado en el interior de los TCCs en funcin de los das (pasos)

transcurridos al igual que el set point de temperatura a los que se encuentra regulado el

control, se muestra en la tabla 6.6:

Tabla 6.6. Procesos y temperaturas de los TCCs

Paso Actividad

Set Point

Temperatura[C]

1 Fermentacin 12,0

2 Fermentacin 12,0

3 Fermentacin 12,0

4 Fermentacin 12,0

5 Fermentacin 12,0

6 Fermentacin 12 0


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- 67 -El mosto saliente de la paila de hervir es enfriado para conseguir una temperatura de

entrada a los TCCs de 10C, la cual es la adecuada para la fermentacin alcohlica. El

proceso de fermentacin comienza una vez agregada la levadura al mosto, durante este

proceso la cimasa segregada por la levadura convierte a los azcares simples, como la glucosa

y la fructosa, en alcohol etlico y dixido de carbono.

Una vez que se inicia la fermentacin se aprecia el desprendimiento de calor, debido a

que este proceso es exotrmico y se necesita controlar la temperatura a travs del suministro

de amoniaco a las chaquetas de enfriamiento. Para el clculo el calor generado en la reaccin

que debe ser retirado por el amonaco, se determina inicialmente calculando inicialmente la

masa de azcar presente en la cerveza que se encuentra adentro del TCC, debido a que esta es

la que reacciona y de manera exotrmica:

azucarTTC fraccNiveld

m =4

2

(Ec. 6.21)

Donde

= 1010 kg/m3

(constante en promedio), densidad del mosto de cerveza en los TCCsd= dimetro de los TCCs [m]


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- 68 -Donde

fermq = calor liberado durante el proceso de fermentacin [kcal/h]

beerK = 160 kcal/kg (constante), calor liberado por unidad de masa que reacciona en el

proceso de fermentacin

fermdiasN = nmero de das que dura el proceso

m= masa de cerveza que reacciona [kg]

Durante el proceso de fermentacin la temperatura es controlada por el refrigerante que

se encuentra en las chaquetas de refrigeracin, por lo cual el NH3es bombeado a las mismas

cuando la temperatura del proceso se dispara afuera de los intervalo fijados por los set points,

los cambios de temperaturas por debajo de los set points son calores no disipados por el

amonaco, estos cambios de temperaturas son dos, el primero de ellos es al ingresar el

producto a los tanques a 10C y el segundo cuando elset pointes cambiado de 12C a 15,5C.

Calor liberado desde 10C a 12C y el liberado de 12 C a 15,5C

hdiasN

TCpm

Q C 24

)(1210

= (Ec. 6.23)


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- 69 -Calor liberado por la maduracin

Una vez que el mosto llega al paso diez la actividad microcelular se detiene y

comienza el proceso de maduracin en los TCCs, donde se busca bajar la temperatura del

producto desde 15,5C a una temperatura de 3C, para luego ser trasegado el producto a las

cavas de maduracin donde culmina por depositarse en el fondo de las cubas la levadura

aadida en el proceso de fermentacin. El calor que debe retirar el refrigerante en las

chaquetas de los Tanques Cilndricos Cnicos viene representado por la siguiente expresin:

hdiasN

TCpmQmad

24

)(

= (Ec. 6.25)

Donde

madQ = calor liberado durante el proceso de maduracin [kcal/h]

Resultando la capacidad necesaria a suministrar por el refrigerante en los TCCs

durante el proceso de fermentacin y maduracin, en la siguiente expresin

madCCfermTCCNH QQQQQ += 5.151212103 (Ec. 6.26)

Captulo VII. Resultados y Anlisis

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p y

Captulo VII.RESULTADOS Y ANALISIS

En este captulo se presentan los resultados obtenidos pa

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