002 Modulo II Unidad

7/26/2019 002 Modulo II Unidad

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MANUAL DE DIAGNOSTICOS ENERGETICOS EN SISTEMAS TERMICOS MG. ROBERT GUEVARA CHINCHAYANEAP DE INGENIERIA EN ENERGIA POSTGRADO EN USO EFICIENTE Y AHORRO DE ENERGIA

DIAGNOSTICOS ENERGETICOS EN SISTEMAS TERMICOS

1. EFICIENCIA DE LA COMBUSTION:

1.1

TEORIA DE LA COMBUSTION:La Qumica Orgnica se ocupa del estudio de los componentes que forma el carbono

aprovechando la extraordinaria capacidad de combinacin que le permite su tetravalencia; al

demostrar que los combustibles se disocian en sus componentes antes de quemarse, la

combustin se producir por oxidacin del Hidrgeno y el Carbono, en el campo inorgnico,

resultando el nombre ms adecuado para esta formidable simplificacin tecnolgica: Teora

Inorgnica de la Combustin, pudiendo ser enunciada en la siguiente forma:

Figura N 1 : Combustin del metanoBiblioteca del Ingeniero Qumico

Siendo los combustibles industriales combinaciones carbono/hidrgeno, con contenidos variables

de impurezas, y habiendo establecido que sus componentes siempre se disocian y reaccionan en


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forma elemental, siempre existir una proporcin de carbn que reaccione como slido. La

excepcin podra ser el propio Hidrgeno, pero no constituye un combustible industrial.

Para sustentar esta hiptesis resultan determinantes los altos valores de los puntos de fusin y

sublimacin del carbono: 3600 y 4200 C respectivamente, temperaturas que no se alcanzan en

procesos industriales, por lo cual siempre se producir la combustin de las partculas de carbn

en forma heterognea.

La reaccin slido-gas, tpica de la combustin de la partcula de carbn, se efecta por difusin de

calor del medio hacia el interior de la partcula y difusin molecular del CO producido (desorcin)

para abandonar la partcula hacia el medio de reaccin, donde completa su reaccin con el

oxgeno disponible, en una reaccin homognea gas-gas.

La condicin trmica inicial de la partcula depende del combustible original, influenciando su

calentamiento hasta este punto, la desvolatilizacin de la partcula slida cuando se trata de

carbn mineral, el craqueo y gasificacin de gotas en el caso de combustibles lquidos, y el

craqueo de gases combustibles.

El hidrgeno reacciona en forma homognea (gas-gas) en una combustin instantnea, aportando

calor y vapor de agua. El carbn reacciona por difusin trmica y molecular en un proceso de

combustin heterognea.

En la prctica, la combustin del carbn resulta mucho ms importante que la del hidrgeno por 2

razones fundamentales:

La proporcin del carbn respecto al hidrgeno en los combustibles es siempre sensiblemente

mayor.

El combustible ms liviano es el metano (CH4) con una relacin Carbono/Hidrgeno igual a 3 lo

que significa que tiene un 75% en peso de carbono. La proporcin en peso del carbono en todos

los combustibles industriales vara entre 75 y 100%.

La combustin del hidrgeno es prcticamente instantnea en cualquier condicin, mientras que

el tiempo de reaccin de la partcula de carbn puede ser de varios segundos, efectundose en 2

etapas: combustin heterognea slido gas desprendiendo CO y la de ste con el O2 para

completar el CO2. La velocidad de propagacin de la llama de hidrgeno es 50 veces mayor que la

del CO, siendo ambas medidas en milsimas de segundo, mientras que la combustin de una

partcula de carbn de tamao promedio (30 micras), puede tomar varios segundos.

Siendo que todos los combustibles se disocian en hidrgeno como gas y partculas de carbn de

diferentes caractersticas y tamao, la cintica de la reaccin de combustin resultar


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determinada por estas ltimas y solamente influenciada por la velocidad de reaccin del

hidrgeno del hidrgeno; consecuentemente, el control sobre la llama resulta casi exclusivamente

dependiente de la combustin de la partcula de carbono (carbn).

El tamao de la partcula de carbn resulta un factor fundamental en este sentido.

En el caso del gas natural, las partculas de carbn sern microscpicas(500 A), su combustin

muy rpida y la llama muy corta, poco luminosa y de baja emisividad; en el caso del Combustleo,

Petrleo residual o Biodiesel , las partculas de carbn producto del craqueo en fase lquida sern

de tamao considerable (10-100 micras), demorando ms su combustin, con llamas muy

luminosas y emisivas; el tamao de partculas de carbn mineral se maneja y controla durante la

molienda, en funcin de su contenido de voltiles (10-100 micras), influenciando as la velocidad

de combustin con llamas siempre luminosas y emisivas.

Todos los dems combustibles industriales entrarn en uno de los campos de estos 3 combustibles

primarios, desarrollndose la combustin de la partcula elemental del carbn siempre en forma

heterognea.

Figura N 2 : Combustin del metano

Combustin Industrial (Percy Castillo)

1.2 MECANISMO DE LA COMBUSTION:

Los combustibles industriales son combinaciones variables de carbono e hidrgeno, con un

contenido, tambin variable, de impurezas.


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El carbono e hidrgeno contenidos en cualquier combustible slido, lquido o gaseoso, sea cual

fuere la forma qumica en que se encuentren combinados, se disociarn a su forma elemental

antes de reaccionar con el oxgeno disponible.

En realidad, las reacciones de combustin del carbono y del hidrgeno con el oxgeno, son siempre

elementales y nicas :

Sea cual fuere el compuesto qumico que se encuentre en el combustible, se disociar en C y H

reaccionando en la forma elemental.

Esta concepcin simple y bsica, pero a la vez prctica y efectiva de las reacciones de combustin,

permite efectuar con rapidez y precisin los clculos estequiomtricos que facilitarn su adecuado

manejo y control.

Sea un combustible que tenga una composicin por kg. de C Kg. de carbono y H2kg de hidrgeno.

Para la combustin de 12 kg. de carbono se necesitan 22,4 m3de oxgeno; para C kg de carbono se

necesitaran:

Para la combustin de 2 kg. de hidrgeno, se necesitan 11,2m3 de oxgeno, luego para 2 kg. de

hidrgeno se necesitarn :

11,2 x (H2/2) = 5,6 x H2m3 de O2

Por consiguiente, para la combustin de 1 kg. de combustible, el oxgeno mnimo necesario

estequiomtrico, sera la suma del necesario para la combustin del carbono y el hidrgeno, es

decir:

O2m= 1,87C + 5,6 H2 m3 de oxgeno

Como la composicin en volumen del aire es aproximadamente del 21% de oxgeno y 79% de

nitrgeno, se tiene que el aire mnimo necesario ser :

Am= (100/21) O2m= 4,76 O2m

Por lo tanto el aire estequiomtrico necesario por kg. de combustible ser :

Am= 8,90 C + 26,67 H2(m3de aire)


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Este volumen de aire est referido a condiciones normales (O C y 760 mm Hg. de presin)

Sea por ejemplo un combustible que tenga 88% de carbono y 12% de hidrgeno,

es decir :

C = 0,88 y H = 0,12

El aire estequiomtrico requerido para la combustin ser :

Am= 8,90 (0,88) + 26,67 (0,12) = 11,03 m3de aire.

En la Figura siguiente se presenta un nomograma que permite la directa determinacin de los

poderes calorficos de cualquier combustible industrial, conociendo su relacin

carbono/hidrgeno.

El conocimiento del calor de disociacin de cualquier combinacin de carbono e Hidrgeno,

permitir conocer directamente su poder calorfico, restndolo de la suma de los calores de

reaccin de los elementos disociados (carbono e Hidrgeno) en forma individual.

Figura N 3 : Poder Calorfico en funcin de la Relacin C/HCombustin Industrial (Percy Castillo)

1.3 ESQUEMA BASICO DE LA COMBUSTION INDUSTRIAL:

Los procesos de combustin en instalaciones industriales siempre obedecen a un esquema bsico,

cuyo conocimiento y comprensin resultan la llave maestra para acceder a cualquier proceso de

combustin que se desee conocer y mejorar.


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En la Figura se muestra el esquema bsico de la combustin industrial, en el cual se establece que

una buena combustin requiere 3 puntos fundamentales:

Figura N 3 : Diagrama Esquemtico de la Combustin IndustrialCombustin Industrial (Percy Castillo)

a.

PROPORCION CORRECTA AIRE COMBUSTIBLE:

El diseo del quemador deber asegurar el suministro de las cantidades adecuadas de aire y

combustible en el sistema, estableciendo mrgenes de regulacin para ambos.

Para asegurar la combustin completa deber proporcionarse un exceso de aire, procurando que

sea lo mnimo que resulte posible.

El anlisis de los gases de combustin permitir conocer el exceso de aire y la eficiencia de la

combustin.

En funcin del anlisis de gases en forma manual o automatizada, se deber efectuar ajustes en

las variables de operacin, controlando los resultados obtenidos.

Manejando correctamente los puntos anteriores se lograr una combustin completa.


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b.

MEZCLA ADECUADA AIRE COMBUSTIBLE

El diseo del quemador deber proporcionar las condiciones de mezcla aire combustible ms

adecuado para cada caso.

La mezcla debe ser uniforme y permanente para cada punto de regulacin dentro de los mrgenes

de operacin.

El objetivo principal de la mezcla ser el lograr el mximo contacto superficial entre oxgeno y

combustible.

El estado fsico del combustible determinar las condiciones operativas que permitan preparar el

combustible (pulverizacin, atomizacin, vaporizacin) en el caso de slidos y lquidos, y efectuar

la mezcla en forma conveniente para cada caso.

Manejando correctamente los puntos anteriores se lograr una combustin ptima.

c.

IGNICION INICIAL Y SOSTENIDA DE LA MEZCLA

El encendido o ignicin inicial de la mezcla requiere el aporte de calor de una fuente externa.

Resulta necesario aplicar mucho calor a un rea localizada para acelerar la reaccin.

La mezcla se encender slo al alcanzar su temperatura mnima de ignicin, variable para cada

combustible.

Al producir las reacciones de combustin ms calor del que se pierde a los alrededores, se

mantendr la combustin sin necesidad de la fuente externa.

Manejando correctamente los puntos anteriores se lograr una combustin auto-sostenida y

estable para las condiciones del proceso.

d.

El cumplimiento de estos 3 requerimientos permitirn :

Lograr el mximo aprovechamiento del poder calorfico del combustible utilizado.

Aportar el calor requerido por el sistema con el menor consumo de combustible y las

condiciones operativas tcnica y econmicamente ms adecuadas.

Esta condicin de mxima eficiencia, sin embargo, siempre resultar inestable por

depender de una serie de variables interdependientes entre s e influenciables por

factores externos, por lo cual el verdadero nivel de eficiencia del sistema depender de la

existencia de un sistema de control adecuado y efectivo, orientado a mantener niveles

permanentes de eficiencia del proceso.


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1.4 TIPOS DE COMBUSTION:

El objetivo fundamental de la combustin es el de conseguir la oxidacin total del carbono y del

hidrgeno para formar dixido de carbono (CO2) y agua (H2O) con lo cual se produce la mxima

energa en forma de calor y se evita efectos contaminantes.

La combustin podemos clasificarla desde el punto de vista de la calidad de sus productos y por la

forma en que se realiza.

a.

COMBUSTION PERFECTA O ESTEQIOMETRICA:

Este tipo de combustin se consigue mezclando y quemando las cantidades exactamente

requeridas de combustible y oxgeno, los cuales se queman en forma completa y perfecta.

Esta combustin completa est sin embargo, fuertemente limitada por condiciones qumicas y

fsicas, ya que slo en teora podemos hablar de reacciones perfectamente estequiomtricas.

Se plantean para realizar los clculos tericos de la combustin, etc. en funcin de la composicin

del combustible y el comburente empleados.

Figura N 4 : Combustin EstequiomtricaCombustin Industrial (Percy Castillo)

b.

COMBUSTION COMPLETA O CON EXC ESO DE AIRE:

Para tener una combustin completa, es decir, sin presencia de monxido de carbono en los

humos de chimenea, es necesario emplear una proporcin de oxgeno superior a la terica. Este


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exceso de aire conlleva especialmente 2 efectos importantes en cuanto al proceso de la

combustin:

Disminucin de la temperatura mxima posible al aumentar la cantidad de gases en la

combustin.

Variacin sensible en cuanto a la concentracin de los xidos formados respecto al

nitrgeno, lo que se traduce en una disminucin de la eficiencia de la combustin.

El exceso de aire se expresa en porcentaje restndole el terico estequiomtrico, el cual

corresponde al 100%; es decir, una cantidad de aire de combustin del 120% respecto al

estequiomtrico, se expresar como 20% de exceso de aire. El ndice de exceso de aire (n),

tambin empleado en la prctica, ser en este caso: n = 1.2.

Figura N 5 : Combustin con exceso de aireCombustin Industrial (Percy Castillo)

c.

COMBUSTION INCOMPLETA O CON DEFECTO DE AIRE:

Cuando el oxgeno presente en la combustin no alcanza el valor del terico necesario para la

formacin de CO2, H2O y SO2 la combustin es necesariamente incompleta, apareciendo en losgases de combustin el monxido de carbono, hidrgeno y partculas slidas de carbono, azufre o

sulfuros.


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Figura N 6 : Combustin con defecto de aire

Combustin Industrial (Percy Castillo)

Considerando que estos componentes de los gases que se eliminan a la atmsfera contienen an

apreciable contenido calorfico, las prdidas por combustin incompleta son elevadas cuando se

proporciona menos aire del necesario. En la prctica, la presencia de inquemados resulta

determinante del exceso de aire necesario.

La presencia de CO en los humos crea adems el riesgo de explosin, al llegar a atmsferas

sbitamente oxidantes.

Un 1% de CO en los gases produce una prdida de aproximadamente un 4% del poder calorfico

del combustible.

d. COMBUSTION IMPERFECTA O REAL:

Se produce una combustin imperfecta o seudocombustin oxidante cuando pese a existir exceso

de aire, no se completan las reacciones de combustin, apareciendo en los humos de chimenea

productos de combustin incompleta, tales como inquemados, residuos de combustibles sin

oxidar, partculas slidas, etc.

Este tipo de combustin puede producirse debido a las siguientes causas:

La elevada carga trmica del hogar, es decir, la relacin entre la potencia calorfica y el

volumen del hogar, ya que existe poco tiempo de permanencia.


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La escasa turbulencia, existiendo por tanto una mala mezcla aire-combustible, lo que en

muchos quemadores se produce por cantidad insuficiente de aire o por estar trabajando a

una fraccin muy pequea de su potencia nominal.

La falta de uniformidad de pulverizacin en los combustibles lquidos, ya que cuanto

mayor sea el nmero de gotas de gran tamao, tanto ms fcil es que se produzcan

inquemados, puesto que una gota de gran dimetro necesita un tiempo mayor de

permanencia para quemarse por completo.

El enfriamiento de la llama, lo que puede ocurrir cuando la mezcla aire/combustible

incide sobre superficies relativamente fras, como el frente de la cmara de combustin o

las paredes de un tubo de llama y tambin cuando se trabaja con un gran exceso de aire.

El alto porcentaje de carbono en los combustibles.

En la prctica, este es el tipo de combustin ms generalizado por resultar ms ajustado a larealidad. En la medida que se mejore la combustin imperfecta aproximndose a las condiciones

tericas de combustin completa con mnimo exceso de aire, se lograr mejores rendimientos y se

evitar efectos contaminantes.

Figura N 7 : Combustin ImperfectaCombustin Industrial (Percy Castillo)

e.

COMBUSTION POR LA FORMA COMO SE REALIZA:

Siendo siempre la reaccin elemental la que se produce en la prctica industrial, puede

presentarse el combustible en estado slido, lquido o gaseoso, lo cual determina diferentes

niveles de dificultad para que se produzca el contacto y reaccin con el comburente.


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El conocimiento prctico y estudio terico de las reacciones de combustin, nos permiten tambin

simplificar en este campo, definiendo que existen nicamente dos tipos de combustin:

Reaccin Homognea GAS-GAS; la que se produce entre el hidrgeno y CO con el oxgeno

para dar lugar a H20 y CO2.

Reaccin Heterognea SOLIDO-GAS; tpica del carbn en cualquiera de sus formas, que se

produce por difusin trmica y molecular en el entorno de la partcula de carbono para

formar primeramente CO y finalmente CO2.

1.5 REACTORES DE LA COMBUSTION:

La combustin en una atmsfera libre puede efectuarse con fines de iluminacin, aprovechando la

energa luminosa de la llama de difusin, pero con fines de aprovechamiento trmico representa

niveles demasiado bajos de aprovechamiento energtico, aceptables solamente en el campoartesanal. En actividades industriales, las exigencias de concentracin trmica y costos establecen

la necesidad de que las reacciones de combustin se efecten en el interior de un reactor llamado

comnmente hogar o cmara de combustin.

El diseo de reactores de combustin obedece principalmente a criterios vinculados al proceso

para el cual se genera calor y la forma de transferencia de calor requerida.

El diseo de un reactor ideal para asegurar combustin completa podra ser definido en los

siguientes trminos y/o condiciones: longitud, volumen til y concentracin de calor.

Las caractersticas de los reactores de combustin en los tipos ms frecuentes:

a.

HORNOS ROTATORIOS:

En estos reactores de forma cilndrica la llama se forma a partir de un chorro recto confinado. Este

reactor presenta la facilidad de poder alargar la llama sin limitaciones de impacto con una pared

posterior, pero igualmente tendr que disponer de suficiente impulso total para mantenerla

centrada y el diseo del quemador tendr que permitir la formacin de llama cnica hueca para

evitar que se abra impactando con las paredes.

Los hornos rotatorios son circulares, por lo que presentan el volumen til ms conveniente y

ofrecen buenas condiciones de concentracin trmica. Las caractersticas del proceso influencian

la concentracin de calor; as existe una gran diferencia entre el comportamiento del material en

procesos de hornos de cal (reaccin endotrmica) y de clnker para cemento (reaccin

exotrmica).


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En los secadores rotatorios tambin se presenta menor concentracin de calor y temperaturas de

llama por ser la vaporizacin fuertemente endotrmica.

Figura N 8 : Horno rotativo IndustrialCombustin Industrial (Percy Castillo)

b.

HORNOS DE FUNDICION:

En este tipo de hornos el reactor est muy lejos de constituir un diseo ideal, debido a que el

material a ser fundido se encuentra en el piso y se alojan llamas en un extremo del horno,

calentando el material hasta fusin por transferencia de calor por radiacin y en menor medida

por conveccin.

El nivel de concentracin trmica es alto debido a los niveles de temperatura, pero las prdidaspor radiacin en las paredes y el techo tambin son altas. Una mejora considerable de estos

hornos como reactores de combustin se ha logrado incorporando mayor nmero de quemadores

en las paredes y en el techo.

Figura N 9 : Horno de fundicin IndustrialCombustin Industrial (Percy Castillo)


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c.

CALDEROS PIROTUBULARES:

En los calderos antiguos se utilizaban hogares de combustin de material refractario, orientando

su diseo a lograr combustin completa, aprovechando el calor generado en varios pasos de tubos

transfiriendo calor por conveccin.

Las exigencias de optimizacin energtica y de diseo han orientado la tendencia en calderos a

ubicar la llama en cmaras de agua y ubicar paredes hmedas, que reemplazan los altares de

refractarios por conductos de agua que refrigeran y se calientan simultneamente. Esta tendencia

obliga a optimizar la combustin para asegurar combustin completa, cada vez ms difcil por la

Menor concentracin de calor.

Figura N 10: Caldero PirotubularCB Industries

d.

CALDEROS ACUOTUBULARES:

Las cmaras de combustin en estos calderos estn formadas por tubos de agua cada vez ms

compactos, complicando su funcin como reactores de combustin. Esta tendencia ha obligado a

desarrollar quemadores con capacidad para formar llamas cada vez ms turbulentas y compactas,

lo que se ha logrado creando una zona de menor presin en la zona central de la llama (llama

cnica hueca).

Los calderos de alta capacidad con grandes cmaras de combustin y un gran nmero de

quemadores se orientan a aprovechar la mayor eficiencia de transferencia de calor por radiacin

desde la llama a los tubos de agua que forman el reactor, resultando similar su concepto de

funcionamiento y aprovechamiento trmico a los aplicados en los hornos de fundicin.


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1.6 ESTABILIDAD DE LA COMBUSTION:

La velocidad de una llama, puede variar entre unos pocos centmetros por segundo (mezcla

propano-aire) y varias decenas de metros por segundo (mezcla estequiomtrica vapor de

kerosene-aire, con 40 m/s).

La superficie que limita la llama por su parte anterior se denomina frente de llama y su situacin

est condicionada por un equilibrio entre la velocidad de circulacin de los gases y la velocidad de

propagacin de la llama; expresado en trminos prcticos, para conseguir una llama estable se

debe mantener un equilibrio entre la velocidad con la que ingresa la mezcla combustible y la

velocidad con la que se quema.

El frente de llama puede resultar muy inestable, considerando los mltiples factores que

intervienen en la cintica de la reaccin de combustin, determinando que se aproxime al

quemador hasta introducirse en el mismo, producindose lo que se denomina "retroceso de

llama" o se aleje del mismo, llegando a producirse el "despegue de llama", en cuyo caso la misma

se apaga.

En la literatura tcnica sobre la llama siempre se mencionan como factores de control operativo

sobre la llama las 3 tes de la combustin, pero investigando en este campo hemos encontrado

que son siete las tes que influencian este proceso.

Figura N 11 : Frente de Llama bsicoCombustin Industrial (Percy Castillo)

Las dos primeras emanan de la teora inorgnica y se refieren al Tamao de partcula y su

Trayectoria axial o rotacional al inyectarse desde la boquilla del quemador.


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Para mantener el equilibrio entre la velocidad de los gases y la propagacin de la llama resultan de

fundamental importancia las tres Te's clsicas de la combustin, esto es, Tiempo, Turbulencia y

Temperatura.

La estabilidad del frente de llama permite condiciones iniciales favorables, pero en el desarrollo de

la combustin intervienen otros parmetros que determinan condiciones que podran afectar la

estabilidad inicial conseguida y coincidentemente, tambin comienzan con la misma letra:

Transferencia de calor y Transporte de gases. Pero an tenemos ms Tes que influencian la llama

y el proceso de combustin: el Tiro que crea las condiciones de circulacin de gases y la Tensin

(presin) en el interior de la cmara de combustin.

Estos tres factores resultan de la mayor importancia para mantener en equilibrio la reaccin de

combustin, y por ende, las caractersticas de la llama.

El Tiempo determina la velocidad con la que se efecta la reaccin y resulta fuertemente

determinado por el Tamao de la partcula de carbn; si se eleva la Temperatura de la llama,

aumentar la velocidad de reaccin y con ella la generacin de calor; asimismo aumentar el

volumen de productos de combustin, incrementndose la Turbulencia en el entorno de la llama,

tomando en cuenta que las condiciones de mezcla tambin sern influenciadas por la trayectoria

de la partcula de carbn, creada por su propio impulso y/o establecida por los flujos dominantes.

La Transferencia de calor desde la llama a su entorno variar la temperatura y por tanto la cintica

de la reaccin. El Transporte de los gases de combustin impulsados por el Tiro tendrn que

asegurar la presin ms conveniente en la cmara de combustin.

Figura N12 : Las Tes de la combustinCombustin Industrial (Percy Castillo)


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El aumento de la Turbulencia favorecer la cintica de la reaccin, disminuyendo el Tiempo de

reaccin; la mayor generacin de calor producir un incremento de Temperatura.

Esta constante influenciada por estos tres factores, determinar las condiciones del equilibrio de

llama, y en consecuencia, la eficiencia de combustin.

La importancia que reviste la llama, por representar el espacio donde se realiza la combustin y

constituir en la mayora de casos una manifestacin visible de la combustin, facilitando su

adecuado manejo y control, determina la necesidad de analizar las caractersticas de formacin de

llama de slidos, lquidos y gases en forma individual y detallada, utilizando la Ruleta de las Tes de

la Combustin.

1.7 FUNCION MECANICA DELA IRE DE COMBUSTION.

Las principales funciones mecnicas que realiza el aire en los sistemas, circuitos y procesos de

combustin, son los siguientes:

a.

AIRE PRIMARIO:

Aporta la energa cintica requerida para formacin de llama, es decir, determinar la forma en que

se desarrolla la combustin, para lo cual puede requerir una gran potencia, cuando se utiliza

combustibles muy difciles de quemar, o relativamente poca, cuando se utiliza gas natural o GLP,

que quemndose con mucha facilidad, a veces requieren demorar la mezcla para tratar de alargar

el tiempo de reaccin y mejorar la emisividad de llama.

Para definir con claridad y sencillez el trabajo del aire primario, hemos determinado la

conveniencia de utilizar 2 parmetros que pueden ser aplicados en el diseo de quemadores o

para la evaluacin de quemadores que se encuentren instalados y operando, para evaluar y

optimizar su funcionamiento: Potencia especfica, expresada con Newton/ Gcal, y Swirl (fuerza

rotacional), que representa el % del impulso total que tiene efecto rotacional. La validez y utilidad

de estos parmetros la hemos podido comprobar en cientos de proyectos de optimizacin de la

combustin en plantas industriales.


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Figura N13 : Aire primario en quemador tipo Pitojet de KHDKHD Company

b.

AIRE DE ATOMIZACION:

En algunos quemadores de combustibles lquidos se utiliza el aire como fluido pulverizador para

atomizacin del combustible, presentndose en la prctica dos tipos de diseos que utilizan el aire

para atomizar:

Quemadores de atomizacin con fluido auxiliar, que puede ser aire comprimido o vapor,

para el caso de calderos. La presin normal del aire de atomizacin es de 4-6 bares.

Quemadores de atomizacin por aire a baja presin, en el cual todo el aire lo proporciona

un ventilador que impulsa el aire total de combustin, que a su vez atomiza el combustible

que sale en forma lateral o radial de la boquilla. El quemador Hauck es el caso tpico y tuvobuenos resultados para combustibles sucios y trabajos muy estacionarios del quemador.

Figura N14 : Quemador HauckCentromin Per


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c.

TIRO FORZADO:

En la mayora de Calderos Pirotubulares y algunos tipo de hornos pequeos, el ventilador del

quemador debe proporcionar, adems del aire de combustin y la energa para formacin de

llama, el impulso necesario para empujar los gases circulantes hasta la base de la chimenea, a

partir de la cual se combina este impulso con el tiro natural creado por la chimenea, para eliminar

los gases de combustin a la atmsfera.

En este tipo de sistemas, la capacidad de los calderos y hornos queda totalmente definido por la

capacidad del ventilador para proporcionar el caudal y la presin esttica en la descarga que

proporcione el impulso (potencia) necesarios para formacin de llama y circulacin de los gases de

combustin.

La presin esttica en la descarga define la nominacin del equipo utilizado:

Un ventilador generalmente se utiliza para mayores caudales y menores presiones (hasta

120 mBar)

Entre 120 y 200 mBar se encuentran los llamados turbo ventiladores que constituyen una

interface entre ventiladores y sopladores, muy convenientes para sistemas de combustin

ms exigentes.

A partir de 200 mBar y hasta 1 Bar, se denominan sopladores, siendo equipos con

mayores presiones y menores caudales.

Equipos con ms de 1 Bar en la descarga ya puede ser considerado un compresor y

requiere criterios distintos de diseo.

Figura N14 : Ventiladores, sopladores y quemadoresIberdola Company


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1.8 INFLUENCIA DE LA ALTURA EN AL OPERACIN DE CALDEROS PIROTUBULARES:

Fundamentalmente del suministro de masa de aire para la combustin y la capacidad para circular

y extraer los gases de combustin. Generalmente el quemador aporta todo el aire de combustin

y el tiro forzado suficiente para desplazar los gases hasta la base de la chimenea, donde se regula

el tiro con el dmper y se elimina los gases con el tiro natural.

Al operar un caldero normal en altura se afectan los siguientes factores:

La capacidad del caldero quedar limitada por la disminucin de masa de oxgeno para la

combustin, determinando una disminucin de la capacidad real del caldero para

generacin de vapor. Por ejemplo: Un caldero de 300 HP tiene una capacidad nominal de

generacin de vapor de 5000 Kg/h; instalado a 3000 m.s.n.m de altura solamente podr

producir 3250 Kg/h, resultando equivalente a un caldero de 200 BHP, desde el punto de

vista del defecto de aire como comburente.

La disminucin del flujo msico de aire para proporcionar el impulso necesario para

mezcla y desplazamiento de gases podra ser compensado parcialmente por la mayor

velocidad de ingreso del aire, solamente si el ventilador tiene la capacidad (presin

esttica en la descarga), para compensar la cada de presin consecuente, de lo contrario,

tambin podra limitar la produccin de calor y vapor en un porcentaje adicional.

Para compensar el fenmeno de altura tendra que reemplazarse el ventilador por otro de

mayor caudal y presin, probablemente un turbo soplador (120 200 mBar), pero no

podra mantenerse las condiciones de eficiencia debido a la aceleracin del paso de los

gases a travs de la zona convectiva.

La eficiencia del caldero podra afectarse en mayor proporcin cuando se utilice

combustibles difciles de quemar en los cuales resulte fundamental la calidad de mezcla.

Cuando la forma de atomizacin depende del aire atmosfrico la operacin podra resultar

imposible de optimizar por no poderse conseguir una atomizacin perfecta

Los fabricantes de equipo pretenden compensar las deficiencias del aire en altura vendiendo

equipos de mayor capacidad, obteniendo mayores beneficios econmicos. La adecuada seleccin

de ventiladores con suficiente capacidad para compensar la disminucin de presin en altura y/o

la modificacin de los existentes, resultar suficiente para alcanzar similares condiciones

operativas que en condiciones normales.


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1.9 INFLUENCIA DE LA ALTURA EN CALDEROS ACUOTUBULARES:

En Calderos Acuotubulares el problema qumico sera similar, dependiendo la extraccin de gases

del sistema de circulacin (forzado o inducido). En este caso tambin podra afectarse la

transferencia de calor por radiacin si disminuye la temperatura de llama, lo que podra suceder

por falta de intensidad de mezcla.

Respecto a la calidad de transferencia de calor tambin se vera afectada por el mayor volumen de

gases inicial, resultando necesario incrementar la succin para compensar el aumento de presin

en el hogar. Debe tomarse en cuenta que en un caldero pirotubular el 80-85% se transfiere por

conveccin, mientras que en acuotubulares la proporcin de calor transferido por radiacin

aumenta proporcionalmente con su capacidad hasta llegar a un 85 %. Un caldero acuotubular de

50 TM/hr transfiere 50/50 % de cada uno de los tipos de transferencia de calor.

La compensacin del aporte de mayor volumen de aire y/o incremento de presin podra

aumentar la velocidad de circulacin de gases, afectando la eficiencia del sistema y poniendo en

riesgo los tubos del economizador en casos extremos.

En calderos acuotubulares la complicacin del trabajo del quemador y la formacin de llama

puede tambin complicarse, pudiendo afectar la integridad de los tubos en caso de ancharse o

alargarse la llama, ocasionando el impacto de llama sobre tubos o estructuras metlicas y/o

refractarias dentro del caldero.

La misma compensacin anotada para calderos pirotubulares y el asegurarse de que el quemador

tenga capacidad para formar llama cnica hueca, resultarn suficientes para optimizar el sistema.

Figura N15 : Caldero AcuotubularEsslingen Fabrik GmbH


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1.10 INFLUENCIA DE LA LATURA EN HORNOS DE PROCESOS:

En el caso de hornos de procesos, la influencia de la altura depender del tipo de quemador

empleado.

La sustitucin de un soplador por un ventilador puede compensar la deficiencia de masa,

incrementando la presin de suministro, pudiendo modificarse el diseo del quemador que

determina la forma de llama: Potencia Especfica y Swirl.

Cuando el quemador es del tipo de atomizacin por aire a baja presin, el problema resulta muy

grave, porque la deficiencia de masa y consiguientemente de impulso resultar insuficiente para

conseguir la atomizacin perfecta que resulta necesaria para conseguir atomizacin completa con

combustibles lquidos.

Un caso tpico es el del quemador Hauck, que utiliza el aire del ventilador para atomizar

combustibles lquidos .A la deficiencia de aire de atomizacin se le agrega la insuficiencia de masa

de oxgeno para la combustin y falta de impulso para desplazamiento de los gases quemados y la

operacin del quemador Hauck en altura resulta muy deficiente.

Para compensar tales deficiencias resulta imprescindible sustituir el ventilador por un turbo

ventilador que proporcione toda la masa de aire e impulso requeridos. Adicionalmente y en forma

adecuada para cada proceso, se debe efectuar las modificaciones que resulten necesarias el el

circuito de gases y transferencia de calor.

1.11 INFLUENCIA DE LA ALTURA EN MCI:

Los motores de combustin interna se afectan con la altura en la medida que disminuye la presin

de admisin, pero compensando este factor mediante un sistema de turbo compensacin, el

desarrollo interno de la combustin resulta similar o mejor al que se consigue en condiciones

atmosfricas normales.

Los equipos de uso ms generalizado de esta clase son los motores Diesel y las turbinas de gas.

En los motores Diesel la influencia de la altura se manifiesta por efecto de la disminucin de la

presin y la densidad, debiendo compensar tales deficiencias con turbo compresores.

En turbinas, las deficiencias de altura deben ser compensadas en la capacidad de los compresores

de aire, para asegurar que la masa que impacta los labes resulte similar a la prevista para su

operacin en la consta.


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Figura N16 : Motores de Combustin InternaCummins

2.

DIAGNOSTICOS ENERGETICOS EN GENERADORES DE VAPOR:

2.1 SISTEMAS TERMICOS:

Los sistemas trmicos son equipos cuya funcin es la generacin de calor a travs de la

combustin de un combustible con el oxgeno del aire. Se utilizan para cubrir necesidades trmicas

de calefaccin y agua caliente y de procesos productivos tales como el tratamiento trmico de

metales, el calentamiento y el secado de sustancias en diferentes sectores industriales como el

qumico, textil, agroindustrial, construccin, metal-mecnica, etc. Los equipos trmicos ms

representativos son calderas, hornos y secadores.

El equipo trmico ms empleado es la caldera. Estos sistemas utilizan el calor producido durante

la combustin de un combustible, para calentar un fluido que posteriormente ser utilizado donde

existan necesidades trmicas. Los hornos, por su parte, en lugar de calentar un fluido, elevan la

temperatura directamente de la carga que se encuentra en su interior. Estos equipos suelen

encontrarse en la industria del metal, qumica, alimentos, entre otros y se emplean para el

tratamiento trmico, la coccin, el curado y otras aplicaciones.

Por ltimo, los secadores, cuya funcin es la de reducir el contenido de humedad de las sustancias,

son ampliamente utilizados en el sector alimenticio y agroindustrial.En las industrias antes mencionadas, estos sistemas trmicos son generalmente los equipos ms

importantes en los que se basa el proceso de produccin y por lo general son los mayores

consumidores de energa en la planta, llegando a alcanzar costos superiores al 50 % de la demanda

energtica total.


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2.2 GENERADORES DE VAPOR.

a.

GENERALIDADES:

El principio de funcionamiento de las calderas es combustible y comburente (aire) se inyectan en

el interior de la caldera a travs del quemador y se inflaman con ayuda de la llama que alimentan.

La reaccin que tiene lugar entre el combustible y el oxgeno del aire es altamente exotrmica, y

genera como productos, residuos slidos (como cenizas y escorias) y humos o gases a elevadas

temperaturas (de 200 a 1,000 C). El contenido energtico de estos gases se aprovecha en calderas

para calentar un fluido (aire, agua o aceite) mediante una superficie de intercambio. El fluido que

ha aumentado su temperatura servir posteriormente para calentar un rea, mover una turbina,

etc.

Finalmente los gases de combustin que han cedido gran parte de su temperatura, son evacuados

por una chimenea.

Figura N17 : Esquema de funcionamiento de la calderaCONAE-Mxico

b. TIPOS:

Las calderas se pueden clasificar en funcin de mltiples criterios. Segn el tipo de combustin, las

calderas pueden ser de cmara de combustin abierta (atmosfrica o tiro natural) o cerrada

(presurizada o tiro forzado). Estas ltimas presentan multitud de ventajas sobre las atmosfricas

como el mejor rendimiento, la estabilidad de la combustin o el mnimo exceso de aire necesario.

De acuerdo con la forma de intercambio de calor, se encuentran calderas acuotubulares o

pirotubulares.

En las acuotubulares, hay una serie de tubos por los que circula el fluido a calentar, y por su

exterior circulan los gases que ceden parte de su energa a travs de las paredes de los tubos. En

las Pirotubulares, son los humos calientes los que pasan por los tubos, los cuales estn rodeados

por el fluido a calentar.

Segn el rendimiento pueden ser estndar, de baja temperatura y de condensacin. La caldera


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estndar es una caldera para la produccin de agua caliente, con tubos de pared simple, que

trabaja a una temperatura constante del agua a la salida entre 70 y 90 C, el diseo de este tipo de

caldera no permite que el vapor de agua contenido en los gases de salida condense en su interior,

limitando la temperatura de retorno del agua a la caldera a los 70 C aproximadamente. Una

caldera de baja temperatura permite aprovechar el calor sensible de los humos a travs de un

recuperador de calor especial, mientras que una caldera de condensacin est diseada para

permitir que el vapor de agua de los gases de combustin condense sobre la superficie de los

tubos de humos, consiguiendo recuperar el calor latente de los gases de combustin. Las calderas

de alta eficiencia (baja temperatura o condensacin) pueden suponer un ahorro del 10-20 % del

combustible utilizado especialmente si se trabaja a bajas cargas.

Figura N18 : rea lateral de un caldero pirotubularCONAE-Mxico

c. RENDIMIENTO:

Uno de los parmetros ms importantes para evaluar el funcionamiento de una caldera es su

rendimiento, que se define como la relacin entre el calor til producido (considerando las

diversas prdidas a travs de los gases de combustin, las paredes de la caldera y los caudales de

purga) y la energa proporcionada por el combustible.

Para evaluar el rendimiento es necesario disponer de un analizador de gases de combustin que

proporcione la concentracin en gases de O2, CO2, CO y la temperatura de los gases, as como un

termmetro de superficie para medir la temperatura de las paredes de la caldera.

El color oscuro de los humos puede implicar tambin un desajuste en la mezcla aire-combustible

debido a una pulverizacin insuficiente del combustible. Si se emplean combustibles lquidos, es

necesario realizar una regulacin y limpieza de los quemadores para obtener una buena

pulverizacin.

El ahorro de combustible obtenido con una buena regulacin de la combustin puede llegar a

suponer entre el 5-7 % del consumo total del equipo.


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Las prdidas de calor a travs de las paredes pueden reducirse hasta un 70-80 %, lo que puede

suponer un ahorro del 1-2 % del combustible.

Si la temperatura de los gases de chimenea supera los 230 oC, puede ser debido a un mal

intercambio de calor en el interior de la caldera. Para solucionarlo, habra que proceder a una

limpieza. Una limpieza peridica de la caldera mejora la transferencia trmica en el interior de la

misma, aumentando el calor til obtenido y disminuyendo la temperatura de los gases de salida.

Por cada 20 C que se consiga disminuir la temperatura de los gases, se reduce el consumo de

combustible en un 1 % aproximadamente.

A continuacin se presentan las pautas a seguir para mejorar la eficiencia en caldera.

Cuadro N 1: Optimizacin del funcionamiento de una caldera

CONAE-Mxico

d. SUSTITUCION DE LA CALDERA:

Normalmente, las intervenciones de mantenimiento peridico permiten mantener el rendimiento

dentro de los lmites establecidos. Pero el rendimiento no es constante a lo largo del tiempo, sino

que va disminuyendo hasta que llega un punto en el que por la antigedad de la caldera y su mal

funcionamiento puede ser necesario sustituirla. La vida til de estos equipos es aproximadamente

de 15 aos.

Tanto en el caso de haber superado la vida til o de haber detectado serios desperfectos de la

caldera, es recomendable sustituirla por una de alto rendimiento.

La instalacin de una caldera de alto rendimiento, requiere una mayor inversin inicial. En

comparacin con una caldera estndar, el costo de una caldera de baja temperatura es un 25 - 30


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% superior, mientras que para una caldera de condensacin puede llegar a duplicarse la inversin

inicial.

Figura N19 : Caldero pirotubularCalderas INTESA

e.

UTILIZACIN DE ECONOMIZADORES Y PRE-CALENTADORES:

Los gases de combustin que salen de la caldera suficientemente calientes (a una temperatura

superior a 230 C) tienen todava energa sobrante que puede ser utilizada para precalentar el

agua o el aire de combustin y disminuir la demanda de combustible. El calor recuperado de los

gases puede aprovecharse incluso en un equipo distinto. Por ejemplo, pueden utilizarse los gases

de escape a baja temperatura para procesos de secado.

Los equipos encargados de precalentar el agua de alimentacin se denominan economizadores,

que no son ms que intercambiadores de calor que permiten que los gases de escape calientes

cedan calor al agua de alimentacin.

Si lo que se desea es precalentar el aire de combustin, estos se denominan pre-calentadores, que

son tambin un tipo especial de intercambiadores de calor gas-aire.

En cualquier caso se debe tener en cuenta que existe un lmite por debajo del cual no es posible

enfriar los gases (150 -175 C), ya que se podran producir importantes corrosiones en conductos

debido a la condensacin de cido sulfrico. A esta temperatura se le denomina temperatura de

roco. Esta restriccin no se aplica en combustibles con bajo contenido en azufre tales como gas

natural o gases licuados del petrleo (GLP).


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2.3 MEJORAMIENTO DE LA OPERACIN DE UN CALDERO:

a.

REGULAR EL EXCESO DE AIRE:

El control del exceso de aire es una de las tcnicas ms efectivas para mejorar la eficiencia de una

caldera con inversiones que pueden ser entre bajas y moderadas, dependiendo del sistema de

control que se adopte.

Consiste en regular los flujos de aire (mediante la apertura del damper del ventilador) y

combustible (mediante la vlvula de ingreso al quemador) de tal manera que se mantenga una

relacin aire-combustible que logre un mnimo de exceso de aire (reflejado por la concentracin

de Oxgeno O2 en chimenea) a la potencia del quemador que se trabaje, y con una mnima

produccin de inquemados (bsicamente holln y monxido de carbonoCO).

El nivel mnimo de exceso de aire a emplear depende del combustible usado y del tipo de

quemador disponible. Para quemadores de tiro forzado y aire sin precalentar, los niveles de

exceso de aire a conseguir mediante los ajustes del sistema de control sern los que se indican en

el cuadro siguiente. En dicho cuadro tambin se indican los valores mximos de O2 , CO y

opacidad de gases que corresponderan para dichos excesos de aire. Estos dos ltimos valores

corresponden a los inquemados y son inevitables en el proceso de combustin, pero no deben

sobrepasar dichos valores mximos.

Cuadro N 2: Nivel recomendado de exceso de aire y otros parmetros.

Fuente:PAE-MEM

Para realizar un buen ajuste del exceso de aire, logrando una combustin adecuada, es necesario

obtener una buena mezcla aire-combustible. Esto se consigue poniendo previamente el sistema de

combustin a punto, es decir haciendo un mantenimiento exhaustivo a bombas, filtros,

calentadores, vlvulas de control, sistema de atomizacin, boquilla del quemador, cono

refractario, difusor, entre otros. Sin ello no se lograr un buen ajuste del exceso de aire.


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Asimismo es importante una limpieza de la caldera en el lado del agua y gases.

Los ahorros ha obtenerse al reducir el exceso de aire pueden ser cuantiosos dependiendo del nivel

de exceso encontrado. En las siguientes figura se ilustra el ahorro de combustible obtenible al

reducir el exceso de aire para dos tipos de combustibles, desde un valor dado de exceso de aire

(reflejado por el % O2 inicial) hasta el 20 10% de exceso de aire, segn corresponda.

Figura N20 : Ahorro de petrleoPAE-MEM

b. REEMPLAZAR QUEMADORES ON-OFF POR QUEMADORES MODULANTES.

El reemplazo de los sistemas de regulacin onoff de la potencia del quemador por sistemas que

modulan la potencia de acuerdo a la carga de la caldera (ver Grfico No. 3.3.3), permiten no slo

reducir las altas temperaturas del gas, sino tambin las prdidas de calor que se dan en el lapso de

stand-by, as como las prdidas de calor asociadas con la purga de gases calientes de la caldera

antes y despus de cada ciclo de fuego, las cuales podran eliminarse al tener menor frecuencia de

apagado del quemador.

El cambio de sistema de regulacin puede permitir incrementar la eficiencia de una caldera con

sistemas on-off desde un 75% a un 77% trabajando con sistema modulante.

La inversin requerida puede ser cuantiosa, lo cual debe ser analizado tomando en cuenta las

horas de operacin de la caldera y el consumo de combustible.


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Figura N21 : Sistema de Quemadores de CalderasPAE-MEM

c.

REDUCIR LA PRESIN DEL VAPOR.

En trminos generales a medida que la presin del vapor en una caldera se incrementa, tambin

aumentan las prdidas de energa debido a las altas temperaturas del gas de chimenea, mayores

fugas de vapor, prdidas de calor a travs de las paredes en la caldera y tuberas de distribucin y

mayores prdidas de vapor a travs de trampas.

Considerando ello, a veces es posible reducir la presin de vapor a un nivel compatible con las

necesidades de temperatura del usuario y con el diseo de las instalaciones de distribucin de

vapor, lo cual debe ser cuidadosamente estudiado. Si bien se pueden conseguir ahorros al reducirla presin del vapor, o mejorar el rendimiento de la caldera , pueden surgir otros problemas si la

reduccin es excesiva, tales como los que se enumeran a continuacin :

Incremento del arrastre de humedad en la caldera.

Como el volumen especfico del vapor (m3/kg) se incrementa al reducir la presin,

entonces pueden darse excesivas velocidades en las tuberas existentes.

Funcionamiento inadecuado de trampas y algunos instrumentos sensibles a la

temperatura.

Menor transferencia de calor en los equipos usuarios de vapor.

Prdida de rendimiento en equipos accionados por vapor.


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Figura N22: Efecto de la presin de vapor en el rendimiento.PAE-MEM

d.

REDUCCIN DE LA FORMACIN DE DEPSITOS.

En una caldera pueden formarse depsitos tanto en el lado del agua como en el lado de los gases.

En el primer caso los depsitos se forman por causa de un mal tratamiento del agua de

alimentacin a caldera, principalmente por un mal ablandamiento, es decir que el agua de aporte

contiene todava sales de Calcio y Magnesio que no fueron previamente removidas en su totalidad

en los equipos de ablandamiento, depositndose en los tubos por efecto del calor.

Una calidad pobre del agua afecta la performance de la caldera de dos maneras:

Se requiere una mayor purga dando como resultado mayores prdidas de calor.

Los depsitos de sales (caliche) en los tubos, constituye una barrera a la transferencia de

calor gases-agua, que provoca no slo la elevacin de la temperatura de los gases de

chimenea, con la consiguiente prdida de calor; sino tambin recalentamiento de tubos y

posible falla de los mismos.

En el lado de los gases los depsitos de holln se originan por una mala combustin delcombustible, debido a una pobr e mezcla aire-combustible o por defecto de aire. Cuando el holln

se deposita en los tubos, tambin acta como una capa de aislamiento que reduce la transferencia

de calor gases -agua.

El resultado global es que los gases salen de la caldera con alta temperatura y la eficiencia de la

unidad se reduce, por no haberse aprovechado todo el calor de los gases.


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Es fcil darse cuenta cundo una caldera manifiesta ensuciamiento de tubos, simplemente por

elevacin de la temperatura de gases de chimenea, Para calderas pirotubulares de 3 pasos (con

exceso de aire normal), una temperatura por encima de 220C en llama alta, ya es un indicio de

que se estn produciendo depsitos en los tubos.

Temperaturas de 350C o ms significa grave ensuciamiento y riesgos de daos para los tubos y

placas de la caldera, por recalentamiento y excesiva dilatacin

Figura N23: Incremento del consumo de petrleo por ensuciamiento de tubos.

PAE-MEM

e.

RECUPERAR CONDENSADOS.

La recuperacin de condensados implica un ahorro de combustible en la caldera y menores costos

de generacin de vapor por las siguientes razones :

El condensado normalmente retorna a una temperatura de 70 a 90 C, lo cual significa que

contiene una cantidad de calor que sino es aprovechada, tienen que ser aportada por el

combustible para calentar el agua de alimentacin hasta la misma temperatura.

Si el condensado (que es esencialmente agua pura) se pierde; el agua de alimentacin

tiene que ser tratada, lo cual implica mayores gastos operativos por el tratamiento y el

costo del agua misma.


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El agua de alimentacin que reemplaza a un condensado no aprovechado contiene

impurezas que incrementan el rgimen de purga y las prdidas de calor asociados a dicha

purga.

Un factor adicional que favorece la recuperacin de condensados es la proteccin del ambiente,

ya que la descarga de fluidos calientes tiene un impacto negativo en los cuerpos receptores (ros,

lagos, etc.)

Figura N24: Ahorro de Combustible por recuperacin de condensado.

PAE-MEM

f.

USO DEL CONDENSADOR DE VAPOR POR CONTACTO.

El condensador de vapor es un equipo que se utiliza para obtener agua caliente aprovechando los

vapores residuales de baja, enfrindolos usualmente con agua fra.

En esencia est formado por un depsito cilndrico vertical, con varias entradas y salidas:

Entrada de agua refrigerante.

Entrada vapor de baja presin.

Salida de agua condensada.

Salida de incondensables.

Dicho sistema de recuperacin de calor se muestra en la siguiente figura:


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Figura N25: Torre para recuperacin de calor por condensacin de vaporesPAE-MEM

En los condensadores de contacto el vapor de baja presin se pone en contacto con agua ms fra,

de tal forma que el vapor condensa y transfiere su calor latente al lquido, el cual eleva su

temperatura.

El diseo de un condensador de vapor debe seguirse una serie de criterios que conducen a:

Evitar demasiadas cadas de presin.

Evitar arrastres de gotas de agua.

Eliminar bolsas de aire.

Utilizar agua tratada para evitar incrustaciones.

g.

USAR VAPOR FLASH.

Son muchas las plantas que utilizan grandes cantidades de vapor a distintos niveles de presin y

no tienen en cuenta para nada el vapor de flash de los condensados.

El vapor flash revaporizado es un vapor con las mismas caractersticas que un vapor vivo y se

forma cuando un condensado pasa de una presin a otra inferior. Parte de este condensado se

convertir en vapor a la misma temperatura que corresponda a la presin inferior. La cantidad de

vapor flash obtenida ser igual al exceso de calor latente del vapor a la presin inferior. El exceso

de calor ser la diferencia entre el calor sensible del condensado a la presin superior y el calor

sensible a la inferior. Con esto conseguimos convertir en calor latente parte del calor sensible del

condensado.


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En la figura se muestra una forma grfica para calcular el porcentaje de vapor flash formado

cuando un condensado a cierta presin (antes de la trampa de vapor u otro dispositivo) se

expande a presin atmosfrica.

Figura N26: Porcentaje de vapor flash formado de condensado descargado a presinatmosfrica.PAE-MEM

El vapor flash se produce siempre que se reduce la presin del condensado; por ejemplo en

trampas de vapor, purgas de calderas, etc.

Un ejemplo muy significativo de obtencin de vapor flash es la recuperacin de calor de las purgas

de calderas. Por ejemplo en una caldera que trabaja a 100 psig, la temperatura del agua es de

unos 170 C, y cuando una parte de sta se purga, produce vapor flash en una cantidadequivalente al 13% del agua purgada.

h. REDUCCIN DE FUGAS DE VAPOR.

Cualquier fuga de vapor en tuberas, equipos o accesorios, representa una prdida de energa.

En la figura se muestra cmo son las prdidas de vapor en funcin a la longitud del penacho

pluma de vapor visible, as como en funcin del tamao del orificio a travs del cual se produce la

fuga. Esta figura nos permite ver la importancia de un buen programa de mantenimiento

preventivo.


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Cuadro N 3 Perdidas de vapor por fugas

Fuente :PAE-MEM

i. MANTENIMIENTO DE TRAMPAS DE VAPOR.

En una red de distribucin de vapor, el mal funcionamiento y deterioro de las trampas de vapor o

purgadores puede producir prdidas superiores al 10% del total producido por las calderas.

Es muy importante prestar la debida atencin a dichos dispositivos, para lo cual se debe

considerar lo siguiente:

Seleccin del tipo adecuado de trampa para el servicio requerido.

Diseo adecuado de las tuberas de drenaje de condensado.

Uso de filtros de proteccin para las trampas.

Revisiones peridicas del funcionamiento de trampas y limpieza de filtros.

Establecer el mantenimiento necesario para conservar el sistema trabajando en las

condiciones ptimas.

Por otro lado, tambin en las vlvulas de bloqueo y by-pass de las trampas pueden haber fugas si

estn en mal estado; esto es si no cierran hermticamente o fallan en el cierre.

Una sola trampa mediana trabajando defectuosamente puede tener una prdida de vapor de unos

20 kg/h, lo cual puede significar un consumo adicional de combustible en la caldera de 0,4 gal/h

2 800 gal/ao, para compensar las prdidas por la trampa (se ha considerado un rendimiento de

50 kg/gal en la caldera y una operacin de 7 000 h/ao).

En una red de vapor donde existen decenas de trampas, es fcil encontrar que un 20 a 30% de

ellas presentan fugas de vapor, siendo lo admisible en la prctica un margen de fallas de un 5%

como mximo. Ello puede significar para la empresa prdidas cuantiosas de dinero por el mayor


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consumo de combustible, que con una pequea inversin en mantenimiento y control,

amortizable en la mayora de los casos en menos de un mes, pueden suprimirse.

Las causas de las prdidas de energa a travs de trampas se pueden calificar en prdidas

directas y prdidas indirectas. Existen varios mtodos para comprobar el funcionamiento de las

trampas de vapor, tales como:

Mtodo visual: observacin de la descarga de la trampa por un by-pass (no siempre es

posible y hay que saber distinguir entre vapor vivo y vapor flash).

Control por mirillas en lnea: Tienen que estar bien ubicadas y mantenerse limpias. La

mirilla de vidrio es slo una ventana colocada en el lado de la descarga de la trampa, de tal

forma que el flujo descargado pueda ser observado.

Control por medicin de temperaturas antes y despus de la trampa: puede resultar

engaoso en algunos casos. Es necesario complementarlo con otros mtodos. Mtodo acstico: chequeo por el sonido que produce el vapor condensado a su paso por

la trampa. Es un buen mtodo en muchos casos y si no hay interferencias, puede

complementarse con otros mtodos.

El monitoreo de trampas permitir conocer peridicamente el estado de las trampas y de acuerdo

a ello tomar acciones preventivas o correctivas. La periodicidad del monitoreo depender de las

horas de funcionamiento del sistema de vapor, de la presin de trabajo, del modo cmo se opere

el sistema, del diseo del mismo, etc. De acuerdo a ello la frecuencia puede variar de 2 a 4 veces al

ao.

j. MEJORAR EL AISLAMIENTO.

Tpicamente las calderas y sistemas de vapor en el pas trabajan a una presin de 100 a 150 psi, lo

cual significan que las instalaciones desnudas (equipos, tuberas, accesorios, etc.). Tiene

temperaturas superficiales de 155 a 170 C aproximadamente, por lo cual se crean gradientes e

temperatura con el aire exterior que producen intercambios de calor que se traducen en prdidas

de energa al ambiente, lo cual es mayor cuando las instalaciones estn a la intemperie.

Sucede tambin con frecuencia que el aislamiento es retirado de las tuberas, vlvulas y partes de

las calderas, para fines de reparacin y no es repuesto, dejando as superficies desnudas que

constituyen no solo un riesgo para la seguridad de los trabajadores, sino tambin una prdida de

calor que produce condensacin de vapor y merma de ste, lo cual tiene que ser compensado con

mayor aporte de combustible en la caldera.


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Para reducir las prdidas de calor al ambiente es necesario que las superficies de tuberas,

accesorios, equipos, etc., estn convenientemente aisladas, lo cual permitir evitar que

aproximadamente un 90% de la energa se pierda innecesariamente. El otro 10% se perder

inevitablemente, pues los aislamientos no son 100% eficaces.

La eficiencia y servicio de un aislamiento depende directamente de su proteccin a la entrada de

humedad y del dao mecnico o qumico, por lo tanto la seleccin de materiales para acabado de

proteccin debe estar basada en las condiciones de la instalacin. Cualquiera sea el caso, al

seleccionar un aislante para una determinada aplicacin, debern tomarse en cuenta las

siguientes consideraciones:

Tipo de aislante.

Conductividad trmica.

Emisividad del aislante. Temperatura de trabajo.

Densidad.

Caracterstica higroscpica.

Capacidad de secado rpido si absorbe humedad.

Estabilidad (alteracin de sus caractersticas trmicas).

Resistencia a la combustin.

Emisin de gases txicos en caso de combustin.

Facilidad de colocacin.

Resistencia al dao y al deterioro.

Resistencia a la deformacin y contraccin.

Facilidad para recibir un acabado exterior superficial.

No ser peligroso para la salud durante su instalacin.

Para los sistemas de vapor a las presiones usuales en el pas, es muchas veces suficiente y

adecuado usar aislamiento de fibra de vidrio, la cual viene muchas veces en presentaciones

preformadas listas para instalar, lo que aunado a su bajo peso y buenas caractersticas trmicas,significan bajos costos de instalacin de aislamiento.


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3. HORNOS.

3.1 GENERALIDADES:

Los hornos trmicos tienen un principio de operacin similar al de las calderas: el calor generado

al quemar un combustible se utiliza para transformar fsicamente cierto producto. La diferencia

fundamental con las calderas es que en este caso, en lugar de calentar un fluido intermedio que

posteriormente se emplear para realizar la transformacin, es directamente el producto el que

eleva su temperatura en el interior del horno.

Debido a la similitud en el principio de operacin con las calderas, las medidas de ahorro

expuestas en la seccin anterior, tales como un buen aislamiento del equipo, la recuperacin de

calor de los gases, etc. pueden tambin aplicarse a estos sistemas.

Hay que mencionar que ltimamente los hornos elctricos vienen sustituyendo a los hornos

trmicos debido a su mayor limpieza, facilidad de control y mantenimiento y en algunos casos

mejor eficiencia.

Figura N 27: Horno IndustrialFuente: CONAE

El objeto del calentamiento es :

Fundir un material ( Alto Horno).

Ablandar un material para una operacin de conformacin posterior(Hornos de

calentamiento)


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Tratar trmicamente una pieza para impartir determinadas propiedades(horno de

recocido)

Recubrir las piezas con otros elementos, operacin que facilita frecuentemente operando

a temperatura superior a la del ambiente (horno de galvanizado).

Tambin se consideran a los incineradores , que son equipos trmicos destinados a la

combustin y/o eliminacin de residuos,

3.2 CLASIFICACION SEGN LA FUENTE DE ENERGIA:

a.

HORNOS QUE OPERAN CON ENERGIA TERMICA :

La energa calorfica requerida para el calentamiento de los hornos puede proceder de:

Gases calientes producidos en la combustin de combustibles slidos (carbn), lquidos

(petrleo residual) o gaseosos (Gas licuado de Petrleo o Gas Natural) que calientan laspiezas por contacto directo entre ambos o indirectamente a travs de tubos radiantes o

intercambiadores en general.

b. HORNOS QUE OPERAN CON ENERGIA ELECTRICA : Dentro de este tipo de Horno tenemos :

Arco voltaico de corriente alterna o continua.

Induccin electromagntica.

Alta frecuencia en forma de dielectricidad o microondas.

Resistencia hmica directa de las piezas.

Resistencias elctricas dispuestas en el horno que se calientan por efecto Joule y ceden

calor a la carga por las diversas formas de transmisin de calor. A los hornos industriales

que se calientan por este medio se denominan hornos de resistencias.

3.3

CLASIFICACION SEGN EL INGRESO DE LA CARGA:

HORNOS CONTINUOS :

Son aquel tipo de hornos en el cual existe siempre un flujo de carga de entrada y un flujo

de carga de salida. Presenta la ventaja de tener una continuidad en el proceso, con la

desventaja de que presentan prdidas por radiacin a travs de ventanas y puertas de

ingreso y salida de la carga, quien frecuentemente est abierta. Son ejemplos de hornos

continuos .Dentro de este conjunto de hornos tenemos:

Los Hornos de Calentamiento de empuje continuo


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Los Hornos de recubrimientos de planchas.

Los hornos de vigas galopantes.

Los Hornos de galvanizado.

El Alto Horno.

Figura N 28 Horno RotativoFuente: Fabrica EL ALTO

HORNOS POR LOTES O BATCH:

Son aquellos hornos cuya carga entrante permanece invariable durante el proceso decalentamiento, luego de esto se retira totalmente la carga e ingresa una nueva. Dentro de

este tipo de hornos tenemos:

Hornos de Foso..

Hornos de Recocido

Hornos Elctricos.


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Figura N 29 Horno de Induccin

Fuente: Furnace Industries

3.4 MEDIDAS DE AHORRO.

Antes de optimizar el equipo, es necesario investigar si se puede mejorar el proceso. A

continuacin. Se enuncian algunas medidas:

Es muy importante que el equipo trmico se utilice exclusivamente para los procesos y los

productos para los que fue diseado.

Los procesos en continuo utilizan generalmente menos energa que los procesos por lotes.

Si los productos requieren de un proceso por lotes, es mejor utilizar equipos de baja

inercia trmica de modo que la temperatura de funcionamiento se alcance rpidamente.

La automatizacin completa del control de los equipos trmicos y de las operaciones de

carga y descarga acelerar el proceso y permitir un mejor funcionamiento de los equipos.

Evitar operar a cargas parciales. Operar a plena carga implica utilizar menos combustible

por unidad de producto y reduccin de costos.

Al igual que en calderas, se pueden obtener importantes ahorros de combustible

utilizando el calor de los gases de escape para precalentar el aire de combustin.

Los gases calientes tambin pueden utilizarse para precalentar el producto antes de entrar

al dispositivo de calentamiento. De esta manera la demanda energtica en el interior del

equipo trmico disminuir, por lo que se necesitar menos combustible.


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Si despus de optimizar el proceso, todava existe un flujo significativo de calor residual, se

puede reconsiderar su uso para produccin de agua caliente, limpieza de reas/equipos,

etc.

4. SECADORES.

4.1 GENERALIDADES:

a.

DEFINICION:

La deshidratacin es una tcnica de conservacin de alimentos que se basa en la eliminacin de

agua de los mismos para darles estabilidad microbiana, reducir las reacciones qumicas

deteriorativas y reducir los costos de almacenamiento y transporte.

Los procesos de deshidratacin se pueden dividir en:

Concentracin, en la que se refiere a un proceso en el cual la materia prima normalmente

es un lquido, y el contenido final de agua es de 30%.

Secado, en donde el contenido de agua es reducido a menos de 10% y el producto inicial

pueden ser placas ms o menos rgidas, gotas o partculas de cualquier forma.

b.

METODOLOGIA.

Los mtodos y procesos de secado se clasifican de diferentes maneras; se dividen en procesos de

lotes, cuando el material se introduce en el equipo de secado y el proceso se verifica por un

periodo; o continuos, si el material se aade sin interrupcin al equipo de secado y se obtiene

material seco con rgimen continuo.

Los procesos de secado se clasifican tambin de acuerdo con las condiciones fsicas usadas para

adicionar calor y extraer vapor de agua:

En la primera categora, el calor se aade por contacto directo con aire caliente a presin

atmosfrica, y el vapor de agua formado se elimina por medio del mismo aire.

En el secado al vaco, la evaporacin del agua se verifica con ms rapidez a presiones

bajas, y el calor se extrae indirectamente por contacto con una pared metlica o por

radiacin (tambin pueden usarse bajas temperaturas con vaco para ciertos materiales

que se decoloran o se descomponen a temperaturas altas).

En la liofilizacin, el agua se sublima directamente del material congelado.


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4.2

EQUIPOS:

a.

SECADO EN BANDEJAS:

Tambin se llama secador de anaqueles, de gabinete, o de compartimientos, el material, que

puede ser un slido en forma de terrones o una pasta, se esparce uniformemente sobre una

bandeja de metal de 10 a 100 mm de profundidad.

Un secador de bandejas tpico, tal como el que se muestra en la Figura , tiene bandejas que se

cargan y se descargan de un gabinete.

Un ventilador recircula aire calentado con vapor paralelamente sobre la superficie de las bandejas.

Tambin se usa resistencias elctricas, en especial cuando el calentamiento es bajo. Ms o menos

del 10 al 20% del aire que pasa sobre las bandejas es nuevo, y el resto es aire recirculado.

FIGURA N 30 : Secador de Bandejas.Fuente: HERBOTECNIA

b.

SECADORES CONTINUOS DE TUNEL.

Los secadores continuos de tnel suelen ser compartimentos de bandejas o de carretillas que

operan en serie, tal como se muestra en la figura. Los slidos se colocan sobre bandejas o en

carretillas que se desplazan continuamente por un tnel con gases calientes que pasan sobre la

superficie de cada bandeja. El flujo de aire caliente puede ser a contracorriente, en paralelo, o una

combinacin de ambos. Muchos alimentos se secan por este procedimiento.


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FIGURA N 31 : Secador continuo de tnel.Fuente: HERBOTECNIA

c.

SECADORES ROTATORIOS.

Un secador rotatorio consta de un cilindro hueco que gira por lo general, sobre su eje, con una

ligera inclinacin hacia la salida. Los slidos granulares hmedos se alimentan por la parte

superior, y se desplazan por el cilindro a medida que ste gira. El calentamiento se lleva a cabo por

contacto directo con gases calientes mediante un flujo a contracorriente.

En algunos casos, el calentamiento es por contacto indirecto a travs de la pared calentada del

cilindro. En este caso cuando el contacto es indirecto la transferencia de calor se realiza por

conduccin.

Las partculas granulares se desplazan hacia adelante con lentitud y una distancia corta antes de

caer a travs de los gases calientes ( los cuales pueden ser gases calientes de la combustin o aire

caliente), como se muestra.


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FIGURA N 32 : Secador RotatorioFuente: JM Ingenieros

4.3 TECNOLOGIA DEL SECADO EN FABRICANTES DE HARINA DE PESCADO.

Este tipo de tecnologa se caracteriza por ser de contacto directo y de flujo paralelo entre el mix a

deshidratar y el elemento calefactor, el cual son gases de calientes de la combustin diluidos aire.

La Harina que se obtiene como producto final es del Tipo Standard o Convencional. Se cuenta con

las siguientes configuraciones tecnolgicas:

a. TECNOLOGA CON SECADORES DE DILUCIN CON AIRE FRESCO: Este tipo de Secadores

son considerados equipos de 1 generacin, y se caracteriza porque el aire de dilucin

ingresa a temperatura ambiental a la cmara de combustin del Secador, este mezcla con

los gases calientes producidos por la reaccin de combustin del Petrleo R500 con aire

comburente a temperatura ambiental. Los gases calientes son enfriados por el aire de

dilucin, y estos a una temperatura cercana de 600C abandonan la cmara de

combustin (el cual es un sistema esttico) e ingresan al cuerpo del secador donde entran

en contacto directo con el mix que ingresa por la parte superior del cuerpo del secador (el

cual es un sistema rotatorio), en un flujo paralelo los gases calientes diluidos con aire

provocan el mecanismo de deshidratacin a nivel de partcula, ya que el mix dentro delcuerpo del secador viaja a lo largo de este a travs de un movimiento browniano. Las

Fabricas de Harina de Pescado que tienen este tipo de tecnologa presentan altos

consumos de combustible, entre 54 y 58 Galones de Petrleo / Tonelada de Harina

Producida.


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FIGURA N 33 : Secador Enercom de aire calienteFuente: ENERCOM Chile.

b. TECNOLOGA CON SECADORES DE DILUCIN CON AIRE CALIENTE:Esta tecnologa es una

variante de la anterior, en la cual se aplica los conceptos de ahorro de energa, al

introducir aire caliente como aire de combustin, lo cual provoca una disminucin del

consumo de combustible, ya que el aire ingresa con un calor adicional, y para poder

mantener las mismas condiciones de calor de reaccin o de llama en el quemador, el calor

adicional por la temperatura del aire, reduce el consumo de combustible. Esta tecnologa

tiene un mejor performance que la tecnologa anterior. Sus consumos especficos varan

entre 45 a 50 Galones de Petrleo/Tonelada de harina producida. Su estructura es similar

al secador de aire caliente de dilucin con aire fresco.

c. TECNOLOGIA DE SECADO A VAPOR:

Este tipo de tecnologa se caracteriza por ser de contacto indirecto y de flujo en

contracorriente entre el mix a deshidratar y el elemento calefactor, el cual es vapor

saturado a una presin de 4 Kgf/cm2, el cual provoca la deshidratacin del mix. La Harina

que se obtiene como producto final es del Tipo Especial o Prime. Este tipo de Tecnologa

implanta el concepto de la integracin de las etapas de proceso, ya que la Etapa de Secado

opera en forma integrada con la Etapa de Evaporacin. El Vapor saturado es generado en

Calderos del Tipo Pirotubular, los cual operan con Petrleo R500; as mismo los Vahos

generados del proceso de secado se utilizan como elemento calefactor en Plantas


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evaporadoras de Agua de Cola del Tipo Pelcula descendente WHE, a diferencia de la

Tecnologa de Secado directo la cual opera con Plantas Evaporadoras Tradicionales, las

cuales necesitan Vapor Saturado generado en Calderas.

Se cuenta con las siguientes configuraciones tecnolgicas:

TECNOLOGA CON SECADORES ROTATUBOS:

Este tipo de tecnologa de 2 Generacin est conformado por un conjunto o

banco de tubos, por donde fluye vapor saturado. Este sistema es muy poco

utilizado ya que presenta inconvenientes en su mantenimiento y limpieza, ya que

en muchos casos parte del mix se adhiere a la superficie del banco de tubos,

provocando una disminucin de su coeficiente de Transferencia de Calor. Aun as

tiene consumos especficos de petrleo que oscilan entre 40 y 42 Galones de

Petrleo / Tonelada de harina producida.

FIGURA N 34 : Secador RotatubosFuente: ESMITAL

TECNOLOGA CON SECADORES DE DISCOS:

Este tipo de tecnologa es similar a la anterior con la diferencia de que est

conformada por un eje hueco con un conjunto de discos, por donde fluye el vapor

saturado en sentido en contracorriente al mix a deshidratar. Tiene dos variantes yson:

Tecnologa con Secadores de Discos con Canales Anulares Espirales

Tecnologa con Secadores de Discos con Canales Anulares.


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Dentro de las tecnologas de secado a Vapor es la ms utilizada, tiene consumos

especficos entre 38 a 40 Galones de Petrleo/Tonelada de Harina Producida.

FIGURA N 35 : Secador RotadiscosFuente: ESMITAL

5. EVAPORADORES.

5.1 GENERALIDADES.

La Evaporacin es uno de los principales mtodos utilizados en la industria de procesos para la

concentracin de disoluciones acuosas. Normalmente implica la separacin de agua de una

disolucin mediante la ebullicin de la misma en un recipiente adecuado, el evaporador, con

separacin del vapor. Si el lquido contiene slidos disueltos, la disolucin concentrada resultantepuede convertirse en saturada, depositndose cristales.

Las principales caractersticas de funcionamiento de un evaporador tubular calentado con vapor

de agua son la capacidad y la economa. La capacidad se define como el nmero de kilogramos de

agua vaporizados por hora. La economa es el nmero de kilogramos vaporizados por kilogramo de

vapor vivo que entra como alimentacin a la unidad y la velocidad de evaporacin.

Los distintos lquidos a evaporar pueden clasificarse de la siguiente forma:

Los que pueden ser calentados a altas temperaturas sin sufrir descomposicin, y los que

nicamente pueden calentarse a bajas temperaturas (330 K).

Los que dan lugar a la aparicin de slidos al concentrarlos, en cuyo caso el tamao y forma

de los cristales pueden ser importantes, y los que no originan slidos.

Los que a una presin dada cualquiera hierven aproximadamente a la misma temperatura

que el agua, y los que tienen un punto de ebullicin mucho ms elevado.


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La evaporacin se lleva a cabo suministrando calor a la disolucin para vaporizar al disolvente. El

calor se suministra en gran parte para proporcionar el cal

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002 Modulo II Unidad