mantenimiento mecÁnico para horno de inducciÓn y sus
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AUDITORÍA ENERGÉTICA
“CERVECERÍA UNIÓN S.A. SABMILLER”
SEMINARIO TALLER
LA COGENERACIÓN COMO ALTERNATIVA
ENERGÉTICA EN COLOMBIA
Félix Antonio Jaramillo Urrea
Juan Carlos Peláez Giraldo
Manuel Ariel Valencia Rondòn
Ronald Yesid Martínez Osorio
UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
MEDELLÍN
2006
2
CONTENIDO
Pág.
Dedicatoria 6. --
Introducción 9. --
1. Descripción del problema 11. --
2. Objetivos 15. --
3. Justificación 16. --
4. Marco teórico 17. --
4.1 Configuración y construcción de una caldera pirotubular 19. --
4.2 operación de una caldera 24. --
4.3 Generación de vapor 27. --
5. Análisis de los modelos matemáticos y su aplicación 36. --
5.1 Cálculo del aire necesario para la combustión 36. --
5.2 Exceso de aire 37. --
5.3 Control de la combustión 37. --
6. Cálculos termodinámicos 41. --
6.1 Cálculo de la masa de los fluidos 41. --
6.1.1 Caudal de los fluidos a la entrada 41. --
6.1.2 Caudal de los fluidos a la salida 42. --
3
6.1.3 Cálculo de las pérdidas 42. --
6.1.4 Cálculo de la energía 46. -- 6.1.4.1 Cálculo de la energía entrante 46. --
6.1.4.2 Cálculo de la energía saliente 46. --
7. Tabla de resultados 48. --
8. Cálculo de la eficiencia de la caldera 49. --
9. Análisis de resultados 50. --
Conclusiones 52. --
Bibliografía 54. --
4
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Datos técnicos de la caldera 26
Tabla 2. Variación del Contenido de Gas Carbónico 38
Tabla 3. Mediciones de los flujos de masa del agua, el vapor y los gases de salida 39
Tabla 4. Balance de Masa y Energía 40
Tabla 5. Propiedades de los Fluidos 44
Tabla 6. Tabla de Resultados 48
5
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Partes principales de una Caldera Pirotubular 22
Figura 2. Pasos y distribución de los tubos para la obtención
de Vapor en una Caldera Pirotubular 23
Figura 3. Equipos Generadores de Vapor 28
Figura 4. Sala de Control en la Generación de Vapor 29
Figura 5. Vista Frontal de la Caldera Thompson 30
Figura 6. Esquema Funcional de la Caldera 31
Figura 7. Silos de Abastecimiento de Carbón 32
Figura 8. Manómetro de Temperatura del Vapor 33
Figura 9. Flujo de Vapor de la Caldera 34
Figura 10. Flujo de Agua de la Caldera 34
Figura 11. Control de Soplado (aire) 35
Figura 12. Diagrama del Balance de Masa y Energía 45
6
DEDICATORIA
El apoyo y respaldo de nuestros seres queridos es factor fundamental en la
consecución de metas, objetivos, superaciones intelectuales, logros laborales,
etc., que con el pasar del tiempo se ven reflejados en los triunfos alcanzados a lo
largo de la vida y las condiciones en la calidad de vida que tiene el profesional,
sus familiares y amigos. Por eso quiero dedicar el poder subir este eslabón de mi
vida, a mi padre Manuel Salvador Jaramillo Castaño; quien desde mi nacimiento
siempre estuvo atento y luchando por mi bienestar. A pesar de no estar presente
en este acontecimiento tan importante, sé que en el cielo lo estará sintiendo tan
suyo, como lo estoy sintiendo yo. No puedo olvidar al pilar y esfuerzo,
representado en mi madre María Eugenia Urrea Gómez, que con su entrega y
amor al hogar mantuvo el equilibrio necesario para que la familia saliera adelante
y dar en todo momento ánimo, coraje y fortaleza a mi padre. También quiero
dedicar este triunfo a mi hijo Andrés Felipe Jaramillo Gómez, quien me brindo
alegría, entusiasmo y ganas de lograr mi meta. No quiero dejar de nombrar a mis
hermanos y hermanas (Rafael, John Jairo, Socorro, Ana Elisa y Luz Helena) que
me colaboraron de una u otra manera, para que esta meta se cumpliera.
Por eso quiero dar gracias y mil gracias, a todas y cada una de las personas
mencionadas por mí en este pequeño homenaje y tendré la mejor disposición en
mi desempeño como Ingeniero. Ing. Mecánico Félix Antonio Jaramillo Urrea
7
En la vida hay momentos en los cuales se hace muchos sacrificios donde se ve
involucrada la familia, por las múltiples funciones que se generan al trabajar,
estudiar y al cumplir la función de padre e hijo. Sea esta una gran oportunidad
para dar los agradecimiento a mi esposa Nubia Molano, mis hijos Santiago, Juan
Esteban y Susana a quienes en su momento les quité tiempo para poder cumplir
con las obligaciones de estudiante. También quiero dedicar este triunfo a mis
padres Luz Elena Giraldo y Jorge Hernán Peláez, lo mismo que a mis tres
hermanos Jorge Hernán, Andrés Felipe y Mauricio Alberto Peláez. Gracias por
entenderme en los momentos en que me ausenté. Este título lo dedico a todos
ustedes. Ing. Mecánico Juan Carlos Peláez Giraldo
A tres grandes mujeres que han dado alegría a mi vida, Julia Lucy, Francy y Paula
Daniela. Muchas Gracias.
Ing. Mecánico Manuel Ariel Valencia Rondòn
Doy gracias a la protección divina de mi madre Julia Elena y al apoyo
incondicional de mi padre Amado de Jesús.
Ing. Mecánico Ronald Yesid Martínez Osorio
El grupo también da las gracias muy especiales a la empresa Cervecería Unión
S.A., por toda la colaboración en: Información, disponibilidad del recurso humano,
8
acceso a la planta generadora de vapor, la visita a cada una de las dependencias
que usan el vapor, y en especial al Ingeniero José B. Cañola (Ingeniero Planta de
Servicios) por quien, sin sus aportes, información y disponibilidad, no hubiera sido
posible realizar la Auditaría Energética a la caldera Jhon Thompson Boilers MK4.
9
INTRODUCCIÓN
El incremento de la población y el crecimiento industrial generado para suplir las
necesidades de la sociedad contemporánea, ha generado un consumo
incontrolado de las reservas energéticas y un deterioro del planeta, lo cual reduce
el bienestar y el nivel en la calidad de vida de los seres vivos. Si bien es cierto que
la energía es necesaria para la producción de bienes y servicios, también se hace
necesario hacer un uso eficiente de la misma, para conservar los recursos no
renovables y reducir el impacto ambiental. Un sistema energético sostenible se
fundamenta a partir de la integración de tres variables: La primera, debe abordar
el uso intensivo de energías renovables; la segunda, el aprovechamiento eficiente
de los recursos disponibles; y la tercera, la decisión consciente sobre los límites
en el consumo de dichos recursos. Se entiende por uso racional de energía, la
adopción de todas las medidas de eficiencia energética que se justifiquen
económicamente. En este contexto, la existencia de precios racionales es
condición necesaria pero no suficiente para garantizar este resultado, ya que se
requiere de acciones adicionales de mayor profundidad, que tienen que ver con
conciencia social y ambiental, y con la aplicación de conocimientos y tecnologías
en ciertos campos. Por datos recopilados y estudios realizados en el mundo, se
identifican algunas barreras que impiden una plena adopción de las medidas del
uso eficiente de energía; las principales son comunes en todos los países y se
resumen a continuación: Falta de información, inexistencia de los productos que
10
logren un mejor desempeño energético o imperfecciones del mercado, pues éste
no se comporta de una manera ideal. El plan de análisis y diagnóstico energético
que le permitan al sector industrial conocer su proceso, de qué manera y con qué
eficiencia se consume la energía en sus instalaciones, es uno de los programas
centrales en la búsqueda de brindar soluciones productivas, pues permite trabajar
sobre algunas de estas barreras, para mitigar su efecto, especialmente, en los
aspectos que tienen que ver con la falta de información que conlleve a prácticas
erróneas. El siguiente estudio realizado en Cervecería Unión S.A., tiene como
finalidad efectuar un diagnóstico de la eficiencia en la caldera Jhon Thompson
Boilers MK4.
11
1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
La empresa CERVECERÍA UNIÓN S.A. tiene su origen en la compañía Kopp's
Deutche Braurei fundada el 04 de abril de 1889 por el señor Leo Sigfried Kopp.
Desde ese entonces y hasta nuestros días, Bavaria ha construido una historia de
117 años, en los cuales la evolución constante de los procesos industriales de
producto y de mercadeo, han sido la principal característica de una empresa
ligada al desarrollo económico del país.
El grupo empresarial Bavaria en el año 2004, adquiere una caldera JHON
THOMPSON BOILERS MK4 a un costo de $1.000.000.000, para optimizar la
producción y satisfacer las necesidades requeridas en cuestión de vapor, a cada
una de las dependencias de la empresa como son: Cocción y sedimentación,
maceración, lavado de envases, filtración de cerveza, filtración de mosto
(fermentación y maduración), pasteurizado, llenadoras y coronadores. Con la cual
se buscaba la aplicación de minimización de la energía, jerarquía de soluciones
para el ahorro, tecnologías blandas que deben agotarse primeramente, medición
de las mejoras y continuidad de los controles en sistemas térmicos, de aire
comprimido, aire acondicionado y alumbrado, lo que producen grandes
oportunidades en el ahorro de energía.
12
En el caso de las calderas de producción de vapor, usadas para transferir energía
de un combustible a un fluido que transporta calor para ser usado en procesos o
calentamiento, y que el fluido se transporta normalmente por tuberías desde la
caldera hasta el punto de consumo, por experiencia se ha visto que muchas
calderas operan con eficiencias térmicas menores a la máxima alcanzable, las
cuales según el estado de la tecnología en Latino América y del tipo de
combustible usado, tiene valores de:
Calderas Pirotubulares estándar de tres pasos (1.000 BHP): 80 – 83 % de
Eficiencia
Caldera Acuatubulares sin recuperador de calor (1.000 BHP): 78 – 80% de
Eficiencia
El impacto ambiental, se ve afectado por la ineficiencia térmica lo que implica
mayor consumo de combustible y por ello un incremento proporcional de las
emisiones de gases de combustión como son:
Dióxido de Carbono (CO2): Efecto Invernadero
Dióxido de Azufre (SO2): Lluvia ácida
Óxidos de Nitrógeno (NOx): Lluvia ácida
Monóxido de Carbono (CO): Contaminante
Particulado Hollín: Contaminante
13
Una gestión integral para el ahorro, consiste en un manejo racional a la economía
de la operación y mantenimiento del sistema térmico y del medio ambiente,
adoptar medidas para incrementar la eficiencia de las calderas y la distribución de
vapor, usando las mejores tecnologías y técnicas en el aprovechamiento
adecuado del vapor o agua caliente.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La evaluación energética de calderas, es una de las acciones más importantes en
cualquier programa de ahorro de energía térmica. Conocer las características
técnicas de la caldera y su influencia en el diseño, variables de diseño, controles y
combustibles usados, es fundamental en el momento de realizar una auditoría
energética. Además de determinar las condiciones operativas actuales que estén
alterando la eficiencia en el modo de funcionamiento, régimen de operación,
variables de operación, controles y mantenimiento de la caldera.
Aunque la caldera JHON THOMPSON BOILERS MK4 es relativamente nueva
(Modelo 2004), es importante tener un control continuo de la operación de cada
uno de sus equipos auxiliares y mantener la eficiencia de una manera controlada,
evitando así sorpresas en su funcionamiento. Esto se logra haciendo mediciones y
análisis de gases de Dióxido de Carbono (CO2), Dióxido de Azufre (SO2), Óxidos
14
de Nitrógeno (NOx) y Monóxido de Carbono (CO), la opacidad de gases en la
concentración de partículas, medición de temperaturas de gases, medición de
flujos de combustible, vapor y purgas, lo mismo que las temperaturas superficiales
para calcular las pérdidas por convección y radiación, para así obtener una base
del diagnóstico energético de la caldera y plantear mejoras justificadas técnica y
económicamente viables.
15
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
La auditoría energética tiene como fin el calcular la eficiencia de la caldera JHON
THOMPSON BOILERS MK4, mediante un balance de masa y energía; y cálculos
termodinámicos de caudales de masa de los fluidos y las energías entrantes y
salientes de la caldera.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar la eficiencia en el consumo del combustible, establecer registros y
obtener indicadores de gestión.
Buscar las oportunidades de ahorro de energía e incremento en la eficiencia
de la caldera.
Calcular las pérdidas que se presentan durante el proceso de la caldera en la
obtención de vapor.
Conocer y cuantificar en partes por millón (ppm), la emisión de gases de
Dióxido de Carbono (CO2), Dióxido de Azufre (SO2), Óxidos de Nitrógeno
(NOx), Monóxido de Carbono (CO), etc. en la chimenea de la caldera.
Establecer recomendaciones de inversión para mejorar la eficiencia de la
caldera.
16
3. JUSTIFICACIÓN
La empresa CERVECERÍA UNIÓN S.A. ve la necesidad de implementar de una
manera periódica, la elaboración de auditorías energéticas a las calderas que
forman parte de la planta de producción de vapor en la compañía, para así
generar un nivel de vapor con un mayor porcentaje de calidad y garantizar la
regulación del funcionamiento de la caldera JHON THOMPSON BOILERS MK4.
El costo comercial de la caldera es muy alto comparado con el valor que
representa el efectuar la gestión de auditorías energéticas regulares en dicha
caldera. Si se implementa de una manera regular la gestión de auditorías
energéticas, se asegura la conservación de cada una de sus piezas y elementos
para el mejor rendimiento de la caldera; esto, representa tranquilidad para el
personal operativo y de mantenimiento de la empresa, evitando sorpresas a
causa de fallas y paros. Los registros tecnológicos con sus fichas, ayudan a tener
una óptima regulación en el funcionamiento y mantenimiento de la caldera, se
evita el recurrir a otros tipos de formas de generación de vapor como las de
combustión interna (diesel) y otras que generan una mayor contaminación
ambiental (polución, ruido, calor, etc.)
Los recursos necesarios para realizar una auditoría energética son:
Personal especializado con soporte técnico y logístico.
17
Instrumentos de medición y control: Analizador de gases, termómetros,
medidores de flujo, pirómetros, etc.
Capacitación permanente del personal.
Conociendo así, las características técnicas de la caldera, su modo de operación,
el consumo energético y un diagnóstico de su eficiencia y limitaciones.
18
4. MARCO TEÓRICO
El 9 de diciembre de 1901 se creó Cervecería Antioqueña con domicilio en la
ciudad de Medellín que empezó el primero de enero de 1902. Los señores Don
Antonio Gutiérrez, del Banco Popular; Don Eduardo Vásquez, representante de la
Sociedad Comercial Vásquez Gutiérrez y Compañía; Don Manuel Álvarez, de la
Sociedad Álvarez y Compañía, y Don Luís Mejía Álvarez del Banco Republicano,
colocaron un capital de $600.000 dividido en 1.200 acciones. La sociedad tuvo por
objeto establecer tres fábricas de Cerveza, hielo y vidrio.
Bavaria es el nombre de la operación industrial de SABMiller en Colombia y el
más importante conglomerado industrial de bebidas del país. Está conformado por
6 plantas cerveceras y una maltera: Cervecería Unión en Itagüí, Cervecería Leona
en Tocancipá, Productora de Jugos en Tulúa, Maltería Tropical en Cartagena e
Impresora del Sur en Cali.
Los distritos de ventas eran seis: Caldas y suroeste, poblaciones de Antioquia y
Chocó, Córdoba, Urabá, Valle del Aburrá y canales especiales.
Los preventistas, en el año 2002, habían realizado 10.000 visitas diarias.
Los resultados llegaban acompañados de una serie de certificaciones:
• Certificación del Icontec de las normas de Aseguramiento de la Calidad NTC
ISO 9002 en 1999 y renovación del certificado ISO 9001, versión 2000 a finales
19
del año 2002.
• Certificación del Sistema Ambiental según la Norma NTC ISO 14001, en el año
2000.
• Certificación en NTC OSAS 18001-2000 al Sistema de Seguridad y Salud
Ocupacional en el año 2002.
• Auditoria Final del BASC Antioquia en la norma BASC para exportaciones, en el
año 2004.
SABMiller es la segunda cervecera mundial en volumen, con operaciones en
cuatro continentes y una producción que supera los 170 millones de hectolitros de
cerveza anuales en más de 170 marcas.
Suramérica constituye, desde la fusión de Bavaria con SABMiller, la segunda
región más importante en términos de ganancias para la compañía, luego de la
operación en Sudáfrica, su país de origen, representando el 21% de las utilidades.
4.1 CONFIGURACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CALDERA PIROTUBULAR
La caldera pirotubular es el prototipo que ha sido usado en negocios comerciales,
aplicaciones en procesos industriales, manufactureros, de alimentos, en
hospitales, hoteles, etc. Las calderas se clasifican por su construcción en:
HRT (Horizontal Return Tubular).
Tipo Caja de Fuego o económicas.
20
Locomotrices, tipo “caja de fuego”.
Marino Escocés.
Verticales Tubulares.
Verticales sin Tubos.
Actualmente las de tipo HRT están casi obsoletas y fuera de servicio. La alta
eficiencia de una caldera y la correspondiente carcasa, son el resultado en la
investigación y desarrollo de:
o Diseño de la Caldera y el Quemador.
o Ciencia de los Materiales.
o Técnicas de Construcción.
o Sistemas de Control.
La configuración de una caldera, debe ser influenciada por el requerimiento de
transferencia de calor, tal que todo el contenido energético dado por el
combustible dentro del tubo de fuego, debe ser movido por consideraciones de
materiales y de economía. La forma de la carcasa de la caldera, es de mucha
importancia para los requerimientos de esfuerzos y refuerzos. Un principio físico
que dice: “La presión que un fluido ejerce en sí mismo, es igual en cualquier
dirección”, según esto una vasija irregular está sujeta a esfuerzos internos que
tienden a forzarla a adoptar la forma de una esfera. La primera tendencia al
21
someterse a presión una carcasa ovalada, es que adquiere una forma transversal
circular. Con base en lo anterior el extremo plano de una vasija operada a presión
baja, debe ser bien reforzada. (Tomado de División de Ingeniería CRANE, Flujo
de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías. Editorial McGraw – Hill,
Interamericana, México, 1.990)
Las calderas pirotubulares , deben seguir las consideraciones del código ASME,
Power Boiler section I como calderas con tubos apestañados (1/16”) y biselados
sobre la placa tubular. Los tubos de fuego u hornos, están normalmente bajo
presión externa, por lo tanto, pueden colapsar antes que quemarse.
22
Figura 1. Partes principales de una Caldera Pirotubular (Tomado de ACIEM: Asociación Colombiana de Ingenieros Electricistas, Mecánicos y Afines)
Los mayores problemas en estas calderas son:
Aflojamiento de los tubos en la placa tubular.
Grietas, quemaduras y corrosión en las partes finales de los tubos.
Picaduras y corrosión que propician escapes de agua.
23
Corrosión en el lado fuego junto con picaduras que producen escapes o
empujes sobre la placa tubular (pobre laminación sobre los tubos del haz).
Formación de incrustaciones sobre el lado agua por sobrecalentamientos.
Pandeo por exceso de calor de la placa tubular.
Aflojamiento de la placa tubular, por sobrecarga.
Figura 2. Pasos y distribución de los tubos para la obtención de Vapor en una Caldera Pirotubular (Tomado de ACIEM: Asociación Colombiana de Ingenieros Electricistas, Mecánicos y Afines)
Para garantizar el éxito y una eficiente operación, el operador debe:
24
1. Conocer las condiciones, ambiente y características de la demanda y precisar
específicamente las condiciones para la caldera.
2. Promover en la planta la buena operación y el mantenimiento.
3. Seleccionar el sistema de control que permita operar la caldera de manera
segura y eficiente.
4. Seleccionar el sistema de control que entregue vapor seco y los
requerimientos de presión y flujo.
5. Identificar el combustible a usar y si es necesario, donde y como reservarlo
con un almacenamiento seguro.
4.2 OPERACIÓN DE UNA CALDERA
El objetivo es “dar eficiente control y regulación a la producción de energía con
adecuada confiabilidad y seguridad en la operación de la caldera”.
Todo operario debe familiarizarse con los controles que involucren el flujo de
carga del calor, de combustible y su eficiente quemado, de aire para soportar la
eficiente combustión, de agua y vapor como carga de producción y el flujo de los
productos de combustión.
25
El índice de operación de una caldera, está enmarcado por diversos factores de
confiabilidad, conceptos de evaluación de la capacidad de la caldera, definiciones,
procedimientos, registros de variables, controles de suministro y carga, pruebas
de seguridad, recomendaciones, normas y respuestas típicas de inquietudes de
operación.
Existen tres elementos principales que dan confiabilidad al sistema térmico y
están enmarcados en: La calidad del agua (incrustaciones, arrastre de sólidos,
corrosión, ensuciamiento), del combustible (temperatura, tamaño, control de
combustión), calidad del mantenimiento (planeación, recursos, mejoras) y la
operación (control del aire, control de niveles, ajustes de combustión, control de
registros, etc).
Hay responsabilidades fundamentales de los operadores de calderas y quienes
deben observar algunas normas, principalmente las siguientes:
1. Lista de chequeo de arrancada: Àreas de circulación, sistemas de iluminación,
identificación y verificación de las válvulas en el campo.
2. Nivel de agua: Chequeos y cuidados al menos ocho veces por turno.
3. Bajo nivel de agua: Tomar las acciones para minimizar algún daño en la
caldera.
4. Válvulas de nivel: Deben mantenerse limpias y secas, probar y asegurarse del
nivel.
26
5. Válvulas de seguridad: Deben probarse regularmente, lo mismo que el paso de
vapor, para evitar sorpresas e informar inmediatamente al personal de
mantenimiento.
Además de estar muy pendiente de: El quemador, los sistemas de seguridad, las
partes internas y externas de la caldera, los escapes de agua, aire y vapor, el
purgado, la salida de gases por la chimenea y hacer un registro continuo en
formatos suministrados, de cada una de las variables que maneja la caldera.
(Tomado de ACIEM: Asociación Colombiana de Ingenieros Electricistas,
Mecánicos y Afines).
Tabla 1. Datos técnicos de la caldera
INFORMACIÒN SOBRE EL PROCESO
Equipo Caldera No. 3
Tipo de Caldera Piro tubular - Parrilla Viajera
Marca JHON THOMPSON
Capacidad 1.000 BHP
Año de Fabricación 2.004
Proceso Producción de Vapor
Combustible Carbón
Poder Calorífico del Carbón 6.880 Kcal/Kg.
Consumo de Carbón 1,460 Kg./H
Consumo de Calor 7,789,100 Kcal./H
Máxima Producción de Vapor 15,65 Ton/H
Producción de Vapor 12,00 Ton/H
Altura Punto de Descarga al Nivel del Piso 30 m
Equipo de Control Multiciclones
27
4.3 GENERACIÓN DE VAPOR
A continuación se presenta una secuencia gráfica en la empresa CERVECERÍA
UNIÓN S.A. (figura No. 3 a la figura No. 10) en la producción de vapor, partiendo
de lo general a lo particular. Se inicia en la planta general de los equipos
generadores de vapor, donde aparece la caldera JHON THOMPSON BOILERS
MK4, la sala de control donde se hace el manejo operativo de todos los equipos
generadores de vapor, una foto exterior de la caldera, el esquema operativo, los
equipos de análisis, medición y control, y sistemas auxiliares.
28
A. PLANTA DE VAPOR GENERAL
La empresa cuenta con seis equipos generadores de vapor, tres calderas que
operan con carbón (1, 3 y 4) y tres a Fuel Oil (2, 5 y 6). Por economía y
rendimiento, permanecen en operación continua las calderas que trabajan a
carbón y cuando hay programación de mantenimiento, entran a operar las demás.
Figura 3. Equipos Generadores de Vapor
CALDERA
JHON TOMPSON
BOILERS MK4
29
B. SALA DE CONTROL EN LA GENERACIÓN DE VAPOR
Desde allí se controlan, a través de las pantallas de las calderas, cada una de las
variables (combustible, aire, agua, temperaturas, gases de combustión, alarmas,
etc.) que intervienen en el proceso de producción de vapor.
Figura 4. Sala de Control en la Generación de Vapor
30
C. CALDERA DE CARBÓN THOMPSON BOILERS MK4
El carbón ingresa a la caldera, a través de las columnas verdes, a los hogares
izquierdo y derecho para realizar la combustión independiente del carbón; en la
parte inferior se observan los ventiladores que también intervienen en la
combustión.
Figura 5. Vista Frontal de la Caldera Thompson
31
D. ESQUEMA OPERATIVO DE LA CALDERA
En esta figura se observa el ingreso del combustible, la combustión y el consumo
de carbón, la entrada de aire a través de los ventiladores, el suministro del agua
de alimentación , la salida de vapor y gases de combustión de los Dampers hacia
la chimenea de la caldera, lo mismo que las diferentes temperaturas del proceso.
Figura 6. Esquema Funcional de la Caldera.
32
E. SILOS DE ABASTECIMIENTO DE CARBÓN
El carbón es llevado desde el depósito a los silos, mediante los elevadores y el
repartidor, para luego ser distribuido a cada una de las calderas de carbón por
medio de bandas transportadoras, que antes de suministrar el carbón, están
dotadas de pesas para llevar un registro y control del consumo.
Figura 7. Silos de Abastecimiento de Carbón
33
F. MEDIDOR DE TEMPERATURA A LA SALIDA DEL VAPOR (SET POINT)
Este manómetro indica la temperatura en ºC del flujo de vapor (libras/hora), que
está suministrando la caldera a la red de distribución de cada una de las
dependencias que requieran el vapor dentro de la planta de producción de la
empresa.
Figura 8. Manómetro de Temperatura del Vapor
34
G. CONTROLES EN EL FLUJO DE VAPOR Y AGUA
Mediante el control del vapor, se sabe claramente la cantidad que se está
entregando a la planta de producción, lo mismo que un parámetro de cómo está
trabajando la caldera.
El flujo de agua es regulado por medio de las bombas de suministro que surten a
toda la planta generadora de vapor.
Figura 9. Flujo de Vapor de la Caldera Figura 10. Flujo de Agua de la Caldera
35
H. SISTEMA CONTROL DE SOPLADO
Los hogares izquierdo y derecho de la caldera, disponen de un ventilador cada
uno, para el suministro del aire que interviene en la combustión del carbón. Se
hace un control dosificado y automático de la cantidad de aire necesaria para una
óptima combustión.
La operación de los ventiladores se puede hacer desde la sala de control o desde
los instrumentos de regulación, control y medición ubicados en los mismos
ventiladores.
El suministro de aire cuenta con filtros muy exactos, que permiten el ingreso de
una manera eficiente, en cantidad, pureza y secado del aire.
Figura 11. Control de Soplado
36
5. ANÁLISIS DE LOS MODELOS MATEMÁTICOS Y SU APLICACIÓN
Para los cálculos termodinámicos es necesario tener las herramientas adecuadas
y bien claros los conceptos de las variables que intervienen en la producción del
vapor; en especial los de la combustión, como lo es la homogeneidad de la
mezcla del aire con el combustible. A continuación veremos unos conceptos
básicos.
5.1 CÁLCULO DEL AIRE NECESARIO PARA LA COMBUSTIÓN
Para calcular la cantidad teórica de aire necesario para la combustión mat, hay que
conocer las proporciones de carbono xc, hidrógeno xH2, oxigeno xO2 y azufre xs
presentes en el combustible, y la masa especifica del aire pa, de acuerdo con la
fórmula:
La masa específica del aire se calcula sobre la base del volumen específico ve y la
razón de humedad W, según la fórmula:
5.2 EXCESO DE AIRE
Fórmula No. 1
Fórmula No. 2
37
El exceso de aire, n, en la combustión, significa que la cantidad de aire es mayor
que el que se necesita para la combustión completa. El exceso de aire en la
combustión sirve para asegurar la mezcla perfecta e íntima del combustible con el
aire, debido al breve lapso en que ambos permanecen juntos. La cantidad de aire
en exceso depende básicamente del tipo de combustible. Los combustibles
sólidos son los que más exigen exceso de aire, esto es, del 30 al 60% más que la
cantidad calculada para la combustión. Los combustibles líquidos exigen un
exceso del 10 al 30% y los gaseosos, del 5 al 20%. El exceso de aire, n, se puede
expresar en función de la cantidad de aire calculada, mu' y de la cantidad real de
aire, m, de manera que:
5.3 CONTROL DE LA COMBUSTIÓN
El control de la combustión se debe efectuar mediante el análisis de la variación
en el contenido de CO2 de los gases de combustión, el cual varía según el exceso
de aire que se utiliza en la combustión. Por eso, cuando se necesita vigilar el
exceso de aire en un proceso de combustión, se analiza el contenido de CO2
presente en los gases de combustión. La tabla No. 2 ilustra la variación en el
contenido de CO2 de los gases de combustión, de acuerdo con el exceso de aire
empleado. El contenido de CO2 se puede medir con analizadores. Cuadro de
Fórmula No. 3
38
Variación del contenido de gas carbónico, CO2, en los gases de combustión con
diferentes proporciones de exceso de aire, N.
Tabla 2. Variación del Contenido de Gas Carbónico (Fuente: DINIZ -1981)
N (%) CO2 (%)
0 20,0
10 18,4
20 16,8
30 15,5
40 14,4
50 13,4
60 12,6
70 11,8
80 11,2
90 10,6
100 10,1
También es necesario disponer de datos que se obtienen desde mediciones
realizadas en el campo. Estas mediciones se hacen cuando la caldera está
operando a su máxima potencia y así tener información confiable que permita
calcular de una manera acertada, cual es la eficiencia real de la caldera.
Las siguientes tablas darán los datos de los flujos de masa de el agua, el vapor y
los gases que se dan en la combustión. Existen datos que se pueden leer
directamente en las pantallas de la sala de control, como la masa del carbón
medida en kilogramos/hora, las temperaturas de cada una de las variables que
intervienen en el proceso de la producción de vapor. De los libros de
39
termodinámica, se extraen los datos de algunas propiedades (calor específico,
densidad, poder calorífico y entalpías) de las variables que nos importan dentro de
la producción de vapor.
Tabla 3. Mediciones de los flujos de masa del agua, el vapor y los gases de salida
MEDICION AGUA (lb./h) VAPOR (lb./h) GASES DE SALIDA (%)
1 26.180,00 18.750,00 11,13
2 26.785,00 17.998,00 10,93
3 26.636,00 20.235,00 11,13
4 26.331,00 17.985,00 11,52
5 26.785,00 18.300,00 11,22
6 26.937,00 18.890,25 11,03
7 26.636,00 18.987,00 10,35
8 26.331,00 18.984,00 10,93
9 26.025,00 19.019,00 10,83
10 26.785,00 19.045,00 11,33
11 26.785,00 18.850,00 11,61
12 26.331,00 18.688,00 10,93
13 26.025,00 18.695,00 11,13
14 26.480,00 16.995,00 10,93
15 26.484,00 18.689,00 11,13
16 26.180,00 18.399,00 11,52
17 26.636,00 18.591,00 11,22
18 27.085,00 19.190,00 11,03
19 26.785,00 19.037,00 10,35
20 26.180,00 18.680,00 10,93
21 26.484,00 18.703,00 10,83
22 26.636,00 17.996,00 11,33
23 26.180,00 18.900,00 11,66
24 26.636,00 18.679,00 10,93
TOTALES 636.338,00 448.285,25 265,93
PROMEDIOS 26.514,08 18.678,55 11,08
40
Tabla 4. Balance de masa y energía
Fluido Masa de los Fluidos Energía Entrante /
Saliente
Entradas
Combustible (Carbón)
Wc Wc. (PCI)h
Aire Wa Wa. Ca. Ta
Agua Wag Wag. Iag.
Salidas
Vapor Wv Wv. (Iv – Iag.)
Gases Wg Wg. Cg. Tg.
Purgas Wp (Wag – Wv). Ig.
Pérdidas -------------------------- P
Wc: Caudal de Combustible (Kg/h)
Wa: Caudal del aire de combustión (Kg/h)
Wag: Caudal del agua de alimentación (Kg/h)
Wv: Caudal de vapor (Kg/h)
Wg: Caudal de los gases de combustión (Kg/h)
Wp: Caudal de purgas (Kg/h)
(PCI) h: Poder Calorífico Inferior húmedo del combustible (Kcal. /Kg.)
Ca: Calor específico del aire de combustión
Ta: Temperatura del aire
Iag: Entalpía del agua de alimentación
Iv: Entalpía del vapor
Cg: Calor específico de los gases
Tg: Temperatura de los gases
Ip: Entalpía del agua de purgas
P: Pérdidas
41
6. CÁLCULOS TERMODINÁMICOS
6.1 CÁLCULO DE LA MASA DE LOS FLUIDOS
Nota: LA CALDERA OPERA UN TIEMPO EFECTIVO DEL 63% EN UNA HORA
O sea que la operación efectiva y real de la caldera es de 37,8 minutos por cada
hora de trabajo y tuvo tiempos muertos que representaron el 37% (22,2 minutos
por cada hora).
También hay cálculos que no se hacen, por que se realiza una conversión de
unidades y se pueden obtener los datos por lectura directa en los contadores
automáticos de la caldera.
6.1.1 Caudal de los Fluidos a la entrada.
1. Caudal del Combustible – Carbón (Wc) (Kg. / h) (Lectura Directa)
2. Caudal del Aire de Combustión (Wa) (Kg. / h)
Se asume que Wa = Wg
3. Caudal del Agua de alimentación (Wag) (Kg. / h)
Wag = 26.514,08 (lb. /h) x 0.63x (1Kg. /2.2lb)
Wc = 850.00 (Kg/h)
Wa = 105,92 (Kg/h)
Wag = 8.504,92 (Kg/h)
42
6.1.2 Caudal de los Fluidos a la salida
1. Caudal del Vapor (Wv) (Kg. / h)
Wv = 18.678,55 lb/h x (1Kg. /2.2lb)
2. Caudal de los Gases de Combustión (Wg) (Kg. / h)
Del hogar izquierdo y derecho de la caldera, salen de manera independiente el
porcentaje de gases, que se unen luego en la chimenea de la caldera.
Los gases representan el 11,08 % de la combustión (Tomado de la tabla No. 3), por lo tanto el flujo màsico de los gases es:
11,08% + 850 Kg/h = 100% y el 11,08% equivale a 105, 92 Kg/h
3. Caudal de Purgas (Wp) (Kg. / h) Se pesan las purgas realizadas a la caldera en un tiempo de 1 hora y al valor es de 2,35 Kg. /min. Wp = 2.35 Kg. /min. x 60 min. /1 h
6.1.3 Cálculo de las Pérdidas (P)
1. Pérdidas Por Calor Sensible de los Humos (P1)
P1 = K(tg –ta) / (CO2 + SO2) %
Wv = 8.490,25 (Kg/h)
Wg = 105,92 (Kg/h)
Wp = 141 (Kg/h)
Fórmula No. 4
43
K = 0,63 (Hulla) tg = 191,1 ºC ta = 25 ºC CO2 = 0 SO2 = 5,73 P1 = (0,63 (191,1 – 25) / (0 + 5,73) )%
2. Pérdidas Por Inquemados (P2)
P2 = (21/21 – O2). (CO/3100 + CH/1000 + OP/65) O2 = 11,12% CO = 0% CH = 0% OP = 5% P2 = (1 – 0,1112). (0,05/65) P2 = (0,8888). (0,077)
3. Pérdidas Por Radiación y Otros (P3) Vaporización máxima 10 t/h 50 t/h 100 t/h P3 = % de pérdidas 4.5 2.0 1.75 Vaporización máxima de la caldera = 15,65 t/h P3 = Se calcula por regla de tres Si 50 t/h ----- 2.0 % 15.65 t/h ----- X X = (15.65 x 2)/50 X = 0.63 %
Total Pérdidas P = (P1 + P2 + P3 ) %
P = (18.26 + 0.068 + 0.63) %
P1 = 18,26 %
P2 = 0,068%
P3 = 0.63%
P = 18.96 %
Fórmula No. 5
44
Tabla 5. Propiedades de los Fluidos
FLUIDO
MASA
(Kg./h)
TEMPERATURA
(ºC)
CALOR
ESPECÍFICO
(Kcal./Kg.ºC)
PODER
CALORÍFICO
(Kcal. /Kg.)
ENTALPÍA
(KJ/Kg.)
CARBÓN
850
25
6.880
AIRE
105,92
25
0,241 BTU/ LbºF
AGUA
8.504,92
110
110,25
VAPOR
8.490,25
193.5
668,43
GASES
105,92
202,54
0,984
PURGAS
141
807,62
Densidad del aire a 25ºC = 1,184 Kg./m3
Kg./h : Kilogramos / hora
ºC : Grados Centígrados
Kcal. : Kilo calorías
KJ : Kilo Joules
45
Figura 12. Diagrama del Balance de Masa y Energía
W Carbón = 850 Kg/h Ta Carbón = 25 ºC (PCI)h Carbón = 6.880 Kcal/Kg.
Wagua = 8.504,92 Kg. /h Ta agua = 112 ºC Iag = 110,25 Kcal. /Kg
Waire= 105,92 Kg/h Ta aire= 25ºC Caire= 0.241 BTU/LbºF
Wvapor = 8.490,25 Kg/h Ta vapor = 193.5 ºC Iv = 668,43 Kcal. /Kg
Wgases = 105,92 Kg/h Ta gases = 202,54 ºC CP gases = 0.984 Kcal/KgºC
CALDERA JHON THOMPSON
CALDERA THOMPSON
PÉRDIDAS
P = P1+P2+P3
W Purgas = 141 Kg/h Ta Purgas = 193.5 ºC Ip = 807,62 Kcal. /Kg
46
6.1.4 Cálculo de la Energía.
6.1.4.1 Cálculo de la Energía Entrante.
Energía Del Combustible (Ec)
Ec = Wc x (PCI)h
Ec = 850 (Kg. /h) x 6.880 (Kcal. /Kg)
Energía Del Aire de Combustión (Ea)
Ea = Wa x Ca x Ta
Ea = (105,92 (Kg. /h)x0.241 (BTU/Lb. ºF) x 1(KJ/Kg. ºK)x 298ºK) 0,2389 (BTU/Lb. ºF)
Ea = 31.841,61 (KJ/h) x (239 cal. /1KJ) x (1 Kcal. /1000 cal.)
Energía Del Agua de Alimentación (Eag)
Eag = Wag x Iag Iag = 461,30 (KJ/Kg.) x 239 (cal./1KJ) x 1 (Kcal. / 1000 cal.) Iag = 110,25 Kcal./Kg.
Eag = 8.504,92 (Kg./h) x 110.25 Kcal./Kg.
6.1.4.2 Cálculo de la Energía Saliente
Energía Del Vapor (Ev)
Ev = Wv (Iv – Iag) Iv = 2.796,8 (KJ/Kg.) x 239 (cal./1KJ) x 1 (Kcal. / 1000 cal.)
Ec = 5.848.000 (Kcal. /h)
Ec = 7.610,15 (Kcal. /h)
Eag = 937.667,43 (Kcal. /h)
Fórmula No. 6
Fórmula No. 7
Fórmula No. 8
Fórmula No. 9
47
Iv = 668,43 Kcal./Kg. Ev = 8.490,25 (Kg. /h) (668,43 – 110,25 ) Kcal./Kg.
Energía De los Gases (Eg)
Eg = Wg x Cg x Tg Eg = 105,92 (Kg. /h) x 0,984 (Kcal. /kg. ºC) x 202,54 ºC
Energía De las Purgas
Ep = (Wag – Wv) Ip Ip = 807,62 (KJ/Kg.) x 239 (cal. /KJ) x 1 (Kcal. /1000cal.) Ip = 193,02 Kcal. /Kg.
Ep = (8.504,92 – 8.490,25)(Kg./h) x 193,02 (Kcal. /Kg.)
Ev = 4.739.087,75 (Kcal. /h)
Eg = 21.109,79 (Kcal. /h)
Ep = 2.831,60 (Kcal. /h)
Fórmula No. 10
Fórmula No. 11
48
7. TABLA DE RESULTADOS
Tabla 6. Tabla de Resultados
Fluido
Masa de los
Fluidos (Kg. /h)
Energía Entrante
(Kcal. /h)
Energía Saliente
(Kcal. /h)
Combustible (Carbón) Wc = 850
Ec = 5.848.000
Aire Wa = 105,92 Ea = 7.610,15
Agua Wag = 8.504,92
Eag = 937.667,43
Vapor Wv = 8.490,25 Ev = 4.739.087,75
Gases Wg = 105,92 Eg = 21.109,79
Purgas Wp = 141 Ep = 2.831,62
Pérdidas P = 18,96 %
49
8. CÁLCULO DE LA EFICIENCIA DE LA CALDERA (n)
Por Método Directo
Ev = 4.739.087,75 Kcal. /h
Ec = 5.848.000 Kcal. /h
Eficiencia (n) = (Energìa del Vapor / Energìa del Combustible) x 100%
n = (Ev / Ec) x 100%
n = (4.739.087,75 (Kcal. /h) / 5.848.000 (Kcal. /h)) x 100 %
Suponiendo una eficiencia de un 10% más de la calculada, el ahorro en pesos del
combustible sería:
n + 10% = Ev / (Wc x PCIh)
Wc = Ev / ( (n + 10%)(PCIh) )
Wc = 4.739.087,75 / (0.9104 x 6.880)
Wc = 7.566 (Kg. /h)
El valor del Kilogramo de carbón es de $ 51,51
Entonces 7,566Kg/h x ($51,51)/Kg = $389.72/h y el ahorro en el combustible, en
un proceso continuo sin paros de la caldera, sería de $280.598,40 mensuales.
n = 81.04 %
Fórmula No. 12
Fórmula No. 13
50
9. ANÁLISIS DE RESULTADOS
De acuerdo al balance de energía general (Ee = Es), se presenta una
diferencia de la energía saliente con respecto a la energía entrante de
aproximadamente un 30%. Esto es debido a la eficiencia del equipo que no es
del 100%, generándose estas pérdidas por: Humedad del combustible y del
aire de combustión, calor en el vapor de atomización, Inquemados, convección
y radiación en las superficies exteriores de la caldera, etc. Algunas de estas
pérdidas son difíciles de calcular por lo complicado en su medición.
La relación entre masa de combustible (Carbón) y masa de aire de combustión
es de 1 : 8, siendo alta para estos elementos, ya que se debe manejar una
relación menor, 1 : 6, la que logra una muy buena combustión del carbón. Esto
se puede obtener con un control instrumentado del flujo de la cantidad de aire
a la entrada de los hogares.
La relación de purgas, se están dando en una cantidad alta en la energía ,
siendo de 1 : 20, esto por la cantidad de purgas que es necesario hacer y que
se refleja en la eficiencia del equipo (que en lo teórico las purgas deberían ser
nulas).
51
Las Kilocalorías/hora generadas por el agua con respecto a las del vapor están
en una relación de 1 : 5, siendo de gran importancia poder rescatar el
condensado que se produce en la caldera, en el momento de hacer la purga y
que se pueden recuperar con trampas de vapor direccionadas a los tanques de
suministro de agua.
De acuerdo a los análisis es preciso investigar la manera para que la caldera
presente una reacción en la producción de vapor, más rápida que la dada y
poder atender las demandas presentadas por cada uno de los procesos de la
empresa, sobre todo en cocimiento.
52
CONCLUSIONES
o La eficiencia térmica de la caldera (81.04%) resultó ser la esperada de
acuerdo al rendimiento que ha venido presentando y por el modelo de
fabricación (2.004).
o A pesar de lo anterior, el análisis mostró que la combustión que se dio en la
caldera no fue completa y que se obtuvo una considerable cantidad de
Inquemados en el combustible de 48.42 Kg. /h., esto comparado con los
combustibles líquidos que no presentan este fenómeno.
o Se debe instalar un equipo más preciso para la cuantificación del combustible
usado, el suministro de agua y el aire de combustión de la caldera en tiempo
real de operación.
o Se considera que la caldera tiene los equipos de control para la operación,
pero para análisis mas detallados de algunos puntos de estudio en cuanto a la
productividad y efectividad en la caldera hacen falta instalar instrumentos de
medición para garantizar resultados confiables en el monitoreo del sistema.
o El equipo muestra un rendimiento muy bueno, pero hay variables que en su
momento se deben controlar, para medir permanentemente la eficiencia de la
53
caldera y en su momento detectar cuando se disminuye, que controles
inmediatos se pueden hacer para tener una mejor eficacia.
o Se concluye que la caldera es un equipo muy seguro y que cuando se generan
picos de producción responde rápidamente, pero sobre todo , se debe pensar
en tener una muy buena comunicación con todas las áreas que de una u otra
forma consumen vapor, para que cuando se den demandas grandes de
consumo de vapor, se haga una programación con el centro de generación.
De igual manera cuando los consumos de vapor bajen, y así tener un buen
aprovechamiento del recurso y no generar desperdicios.
54
BIBLIOGRAFÌA
EMPRESA CERVECERÍA UNIÓN S.A., Carrera 50ª No. 38-39 Itagui-Colombia
Tel. 372 24 00
División de Ingeniería CRANE, Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías.
Editorial McGraw – Hill, Interamericana, México, 1.990.
CLAVER BROOKS, Manual de Calderas SELMEC, Selmec Industries S.A. de
C.V., 1.992.
KENNETH WARK, Jr., Termodinámica, Editorial McGraw – Hill, 5a ed., México,
1.996.
ACIEM (Asociación Colombiana de Ingenieros Electricistas, Mecánicos y Afines),
Capítulo Cundinamarca, Gonzalo Rodríguez Guerrero, Bogotà Febrero de 2006.