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SEPARATA DE USO INTERNO DE LA ASIGNATURA DE DUAGNOSTICOS Y RACIONALIZACION DE LA ENERGIA

AUTOR: ING. ROBERT GUEVARA CHINCHAYAN EAP INGENIERIA EN ENERGIA

EQUIPOS CONSUMIDORES DE ENERGIA TERMICA

AUTOR : ING. ROBERT FABIAN GUEVARA CHINCHAYAN

POSTGRADO EN USO EFICIENTE Y AHORRO DE ENERGIA.

1. SECADORES :

1.1 DEFINICION:

La deshidratación es una técnica de conservación de alimentos que se basa en la

eliminación de agua de los mismos para darles estabilidad microbiana, reducir las

reacciones químicas deteriorativas y reducir los costos de almacenamiento y

transporte.

Los procesos de deshidratación se pueden dividir en:

a) Concentración, en la que se refiere a un proceso en el cual la materia prima

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

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

inicial pueden ser placas más o menos rígidas, gotas o partículas de cualquier forma.

1.2 METODOLOGIA :

Los métodos 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 añade sin interrupción al

equipo de secado y se obtiene material seco con régimen continuo.

Los procesos de secado se clasifican también de acuerdo con las condiciones físicas

usadas para adicionar calor y extraer vapor de agua:

En la primera categoría, el calor se añade por contacto directo con aire caliente a

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

En el secado al vacío, la evaporación del agua se verifica con más rapidez a presiones

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

radiación (también pueden usarse bajas temperaturas con vacío para ciertos

materiales que se decoloran o se descomponen a temperaturas altas).

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



1.3 EQUIPOS :

SECADO EN BANDEJAS :También se llama secador de anaqueles, de gabinete, o

de compartimientos, el material, que puede ser un sólido 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 típico, tal como el que se muestra en la Figura Nº05, 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. También se usa resistencias eléctricas, en especial cuando el

calentamiento es bajo. Más o menos del 10 al 20% del aire que pasa sobre las

bandejas es nuevo, y el resto es aire recirculado.

FIGURA Nº 1: Secador de Bandejas.

Fuente: HERBOTECNIA

SECADORES CONTINUOS DE TÚNEL: Los secadores continuos de túnel suelen ser

compartimentos de bandejas o de carretillas que operan en serie, tal como se

muestra en la figura. Los sólidos se colocan sobre bandejas o en carretillas que se

desplazan continuamente por un túnel con gases calientes que pasan sobre la

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

paralelo, o una combinación de ambos. Muchos alimentos se secan por este

procedimiento.



FIGURA Nº 2: Secador Continuo de Túnel.

Fuente: HERBOTECNIA

SECADORES ROTATORIOS: Un secador rotatorio consta de un cilindro hueco que

gira por lo general, sobre su eje, con una ligera inclinación hacia la salida. Los

sólidos granulares húmedos se alimentan por la parte superior, y se desplazan por

el cilindro a medida que éste 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 través de la pared

calentada del cilindro. En este caso cuando el contacto es indirecto la transferencia

de calor se realiza por conducción.

Las partículas granulares se desplazan hacia adelante con lentitud y una distancia

corta antes de caer a través de los gases calientes ( los cuales pueden ser gases

calientes de la combustión o aire caliente), como se muestra.



FIGURA Nº 3: Secador Rotatorio mas accesorios

Fuente: SERTON ENGENY

1.4 TECNOLOGIA DEL SECADO EN FABRICANTES DE HARINA DE PESCADO :

Este tipo de tecnología 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

combustión diluidos aire. La Harina que se obtiene como producto final es del Tipo

Standard o Convencional. Se cuenta con las siguientes configuraciones tecnológicas

TECNOLOGÍA CON SECADORES DE DILUCIÓN CON AIRE FRESCO: Este tipo de

Secadores son considerados equipos de 1ª generación, y se caracteriza porque el

aire de dilución ingresa a temperatura ambiental a la cámara de combustión del

Secador, este mezcla con los gases calientes producidos por la reacción de

combustión del Petróleo R500 con aire comburente a temperatura ambiental. Los

gases calientes son enfriados por el aire de dilución, y estos a una temperatura

cercana de 600ºC abandonan la cámara de combustión (el cual es un sistema

estático) 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 deshidratación a nivel de partícula, ya que el mix dentro del cuerpo

del secador viaja a lo largo de este a través de un movimiento browniano. Las

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

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

Producida.



FIGURA Nº 4: Secador Rotatorio mas accesorios

Fuente: ENERCOM

TECNOLOGÍA CON SECADORES DE DILUCIÓN CON AIRE CALIENTE: Esta tecnología

es una variante de la anterior, en la cual se aplica los conceptos de ahorro de

energía, al introducir aire caliente como aire de combustión, lo cual provoca una

disminución del consumo de combustible, ya que el aire ingresa con un calor

adicional, y para poder mantener las mismas condiciones de calor de reacción o de

llama en el quemador, el calor adicional por la temperatura del aire, reduce el

consumo de combustible. Esta tecnología tiene un mejor performance que la

tecnología anterior. Sus consumos específicos varían entre 45 a 50 Galones de

Petróleo/Tonelada de harina producida. Su estructura es similar al secador de aire

caliente de dilución con aire fresco.

TECNOLOGIA DE SECADO A VAPOR:

Este tipo de tecnología 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 presión de 4 Kgf/cm2, el cual provoca la deshidratación del

mix. La Harina que se obtiene como producto final es del Tipo Especial o Prime.

Este tipo de Tecnología implanta el concepto de la integración de las etapas de

proceso, ya que la Etapa de Secado opera en forma integrada con la Etapa de

Evaporación. El Vapor saturado es generado en Calderos del Tipo Pirotubular, los

cual operan con Petróleo R500; así mismo los Vahos generados del proceso de



secado se utilizan como elemento calefactor en Plantas evaporadoras de Agua de

Cola del Tipo Película descendente WHE, a diferencia de la Tecnología de Secado

directo la cual opera con Plantas Evaporadoras Tradicionales, las cuales necesitan

Vapor Saturado generado en Calderas.

Se cuenta con las siguientes configuraciones tecnológicas:

TECNOLOGÍA CON SECADORES ROTATUBOS:

Este tipo de tecnología de 2ª Generación está 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 disminución de su coeficiente de Transferencia de

Calor. Aun así tiene consumos específicos de petróleo que oscilan entre 40 y

42 Galones de Petróleo / Tonelada de harina producida.

FIGURA Nº 5: Secadores Rotatubos

Fuente: ENERCOM

Tecnología con Secadores de Discos:

Este tipo de tecnología es similar a la anterior con la diferencia de que está

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 y son:

Tecnología con Secadores de Discos con Canales Anulares Espirales

Tecnología con Secadores de Discos con Canales Anulares.



Dentro de las tecnologías de secado a Vapor es la más utilizada, tiene

consumos específicos entre 38 a 40 Galones de Petróleo/Tonelada de Harina

Producida.

FIGURA Nº 5: Secadores Rotadisks

Fuente: ENERCOM

2. EVAPORADORES :

2.1 DEFINICION :

La Evaporación es uno de los principales métodos utilizados en la industria de procesos

para la concentración de disoluciones acuosas. Normalmente implica la separación de

agua de una disolución mediante la ebullición de la misma en un recipiente adecuado,

el evaporador, con separación del vapor. Si el líquido contiene sólidos disueltos, la

disolución concentrada resultante puede convertirse en saturada, depositándose

cristales.

Las principales características de funcionamiento de un evaporador tubular calentado

con vapor de agua son la capacidad y la economía. La capacidad se define como el

número de kilogramos de agua vaporizados por hora. La economía es el número de

kilogramos vaporizados por kilogramo de vapor vivo que entra como alimentación a la

unidad.

- Economía de un Evaporador .

- Capacidad de Planta.

- Velocidad de Evaporación.



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

- Los que pueden ser calentados a altas temperaturas sin sufrir descomposición,

y los que únicamente pueden calentarse a bajas temperaturas(330 K).

- Los que dan lugar a la aparición de sólidos al concentrarlos, en cuyo caso el

tamaño y forma de los cristales pueden ser importantes, y los que no originan

sólidos.

- Los que a una presión dada cualquiera hierven aproximadamente a la misma

temperatura que el agua, y los que tienen un punto de ebullición mucho más

elevado.

La evaporación se lleva a cabo suministrando calor a la disolución para vaporizar al

disolvente. El calor se suministra en gran parte para proporcionar el calor latente de

vaporización y, mediante la adopción de métodos de recuperación de calor del vapor,

el ingeniero químico ha podido conseguir una gran economía en la utilización del calor.

Mientras que el medio calefactor es generalmente vapor de agua a baja presión, para

casos especiales puede utilizarse Dowtherm(aceite térmico) o gases de combustión.

2.2 DETALLES DE LA EVAPORACION :

La evaporación en efecto simple y múltiple. La mayoría de los evaporadores se

calientan con vapor de agua que condensa sobre tubos metálicos. El material que se

evapora circula casi siempre por el interior de los tubos. Generalmente se utiliza vapor

de agua a baja presión, inferior a 3 kg/cm2, y el liquido hierve a un vació moderado,

superior aproximadamente a 70 mm Hg. Al disminuir la de ebullición del líquido

aumenta la diferencia de temperatura entre el vapor condensante y el líquido que

hierve y, por consiguiente aumenta la velocidad de transmisión de calor en el

evaporador.

Cuando se utiliza un solo evaporador, el vapor procedente de la ebullición del líquido

se condensa y se desprecia. Este método se denomina evaporación en efecto simple, y,

si bien resulta sencillo, no utiliza en cambio eficazmente el vapor. Para evaporar 1 kg

de agua de una solución se necesitan de 1 a 1,3 kg de vapor vivo.

Si el vapor procedente de un evaporador se introduce como alimentación a la caja de

vapor de un segundo evaporador, y el vapor procedente de éste se lleva después a un

condensador, la operación recibe el nombre de doble efecto. El calor contenido en el

vapor original se reutiliza en el segundo efecto, y la evaporación que se consigue con 1

kg de vapor vivo que llega al primer efecto es aproximadamente el doble. Procediendo

en la forma indicada se pueden adicionar más efectos. El método general de



incrementar la evaporación por kg de vapor vivo utilizando una serie de evaporadores

entre la línea de vapor y el condensador recibe el nombre de evaporación de múltiple

efecto.

2.3 EVAPORACION POR MULTIPLE EFECTO :

Las ventajas del sistema multiefecto, respecto al monoefecto o simple efecto,

consisten en el ahorro del fluido de calentamiento, debido al disfrute más efectivo de

la energía térmica y a la del agua de enfriamiento ya que el propio liquido a evaporar

contribuye a la condensación parcial del vapor producido.

Para calentar el primer efecto se emplea agua caliente a 90º C, vapor o agua caliente

sobrecalentada. Se calcula que para evaporar 1 kg de agua, es decir pasar de liquido a

vapor se precisan 540 Kcal, si este vapor se aprovecha en una segunda etapa permite

evaporar otro kg. de agua, sin consumir más energía, si se instala otro efecto, permite

nuevamente evaporar otro kg. de agua. Es decir, con un triple efecto conseguimos con

540 Kcal evaporar 3 kg. de agua. Para conseguir este calor se suelen emplear calderas

del tipo pirotubular, otra posibilidad muy interesante es aprovechar el circuito de agua

caliente de un equipo de cogeneración, de esta forma el aprovechamiento energético

es total. Sin ni ninguna duda es el sistema de mas bajo coste de gestión energética de

cuantos existen para tratar caudales altos. Otra gran ventaja del proceso de múltiple

efecto es que se puede empezar con un doble efecto, dos calderas, para producir 5000

l/dia de destilado, y ampliar en el futuro insertando un tercer modulo o caldera para

producir 7500 l/día, es decir un 50% más de producción sin mayor coste energético y

bajo coste de inversión.



Figura Nº 6 Evaporadores de Múltiple Efecto

Fuente :Perefan.Colombia

2.4 TIPOS DE EVAPORADORES :

a. De películas ascendente.- Que utiliza como elemento calefactor al vapor saturado

generado en caldero a bajas presiones. Por su diseño operan con tubos inundados,

son de flujo paralelo, y de alto tiempo de residencia, aproximadamente dos horas.

Generalmente son usadas en las plantas de harina que procesan la harina de pescado

del tipo Standard.

En estos equipos la evaporación ocurre dentro de la tubería, por lo que se prefiere

evaporar líquidos no corrosivos. Los líquidos que contienen sales pueden hacer difícil

el mantenimiento. Para obtener coeficientes de transferencia de calor adecuados, se

requiere un gradiente de temperatura entre el fluido de servicio y el medio mayor a

15oC, pero se prefiere trabajar con un ) T=20oC. La tubería generalmente es de 3/4" a

2" de diámetro, con longitudes de 3 a 15 m.

Durante la operación, el líquido es alimentado en la cámara inferior y después hacia los

tubos. El líquido queda en contacto indirecto con el vapor de servicio (saturado) o con

otro medio. Si la presión de vapor de la alimentación excede o es igual a la de la

cámara inferior, inmediatamente se dará la vaporización de agua. Si está más fría, la

parte baja de la tubería actúa como precalentador hasta que este alcance el punto de

ebullición. La vaporización se da entonces a la altura en la que la presión de vapor de la

alimentación iguala la presión del sistema.



La máxima temperatura no se dá hasta el final, sino después de que el líquido ha

recorrido menos de la mitad de la longitud de la tubería, lo que marca el inicio de la

ebullición.

Conforme el líquido asciende dentro de los tubos, se genera vapor adicional y la

velocidad de la mezcla líquido-vapor aumenta a un máximo antes de salir de la tubería.

La mezcla de salida choca contra un deflector, en donde se da una separación inicial de

vapor y líquido. La acción de la gravedad actúa también, separando el vapor del

líquido. Finalmente, existe un separador centrífugo en la cabeza del evaporador, que

remueve los remanentes de líquido. El vapor de salida puede entonces conducirse al

siguiente efecto (para evaporación múltiple), a un compresor (bomba de calor) o a un

condensador. En el diseño de Evaporadores de Swenson(ES UN CASO MUY

PARTICULAR), sale hacia un condensador. El líquido concentrado sale por una tubería

que se encuentra a la mitad del cuerpo del evaporador, donde empieza la zona de

separación de vapor. Los coeficientes de transferencia de calor en la sección de

calentamiento corresponden al fenómeno de ebullición de superficie o local. En la

sección de ebullición, los coeficientes de Transf. de calor son para ebullición nucleada;

como es de esperarse, la ebullición nucleada provoca coeficientes mucho más altos y

por lo tanto, debe reducirse al mínimo la zona de precalentamiento a fin de hacer más

rápida la evaporación.

Figura Nº 7 Evaporadores de Película Ascendente

Fuente :VS INGENIEROS CONSULTORES

MC1 MC2 MC3

MS1 MS2 MS3

MV3 MV2 MV1

MST MS1 MS2

MV

MC

1 2 3 4

MS4

MV3

MS3



Donde:

SM.

: Flujo de Solución

VM

.

: Flujo de Vapor

CM

.

: Flujo de Condensado

b. De película descendente.- Que utiliza como elemento calefactor el agua

evaporada (Vahos) obtenidos durante el proceso de secado al vapor en la obtención de

la harina de pescado del tipo especial.

Son plantas ahorradoras de energía que operan con flujos en contra corriente, la

evaporación se realiza por el fenómeno de película. Trabajan con presiones y

temperaturas reducidas y tiempos de residencia cortos, aproximadamente 30 minutos.

En este tipo de equipos, la alimentación se realiza por la parte superior del

intercambiador de calor, en donde se distribuye mediante un plato de distribución

estática (ver parte I). Al caer, el producto incrementa su velocidad y desciende dentro

de los tubos por gravedad y por arrastre del vapor que se genera durante la ebullición.

El líquido se separa del vapor en la cámara cónica inferior; una placa de orificios

colocada en la parte superior evita el arrastre de líquido hacia la salida del vapor.

Puede existir una trampa de líquido extra en la cabeza de la cámara para reducir aun

más el riesgo del arrastre de líquido. El vapor es condensado con agua y el concentrado

es desalojado del cono inferior del evaporador. En realidad, la cámara cónica mostrada

en el diseño de Swenson puede estar integrada al cuerpo del intercambiador, como

sucede con el evaporador de film ascendente. Sin embargo, la colocación de la cámara

de vapor debe entonces ser en la parte baja del evaporador, una vez que el fluido ha

pasado por la zona de intercambio de calor.

Este equipo es útil para concentrar líquidos similares a los mencionados en el

evaporador de película ascendente y líquidos más viscosos. Las alturas y diámetros de

tubería son similares en ambos diseños.

La mayor ventaja del evaporador de film descendente es que se puede usar cuando la

magnitud de la diferencia de temperatura entre el fluido de servicio y el producto es

pequeña (menos de 15oC). El tiempo de residencia del producto en este equipo es

menor al de un evaporador de film ascendente. La combinación de bajo ) T y bajos

tiempos de residencia hace a este equipo ideal para concentrar productos sensibles al



calor. Por otro lado, se obtienen coeficientes de transferencia de calor altos debido al

fenómeno de la caída de un film continuo que fluye en su punto de ebullición a lo largo

de la superficie interna de la tubería, en contacto directo con el vapor que fluye en el

centro de la tubería. Sin embargo, en algunos casos es necesario alimentar el

evaporador con el fluido a concentrar más una pequeña cantidad del licor bombeada

de la parte superior del evaporador, a fin de evitar la condensación de vapor en la

parte interior de la tubería.

Figura Nº 8 Evaporadores de Película Descendente

Fuente :VS INGENIEROS CONSULTORES

Donde:

SM.

: Flujo de Solución

VM

.

: Flujo de Vapor

CM

.

: Flujo de Condensado

1

MS1 MS2

MC1

MS3

MC2

MV4 MV2 MV1

MS2 MS3 MSi

MVAHOS

MCondensado

2 3



El beneficio del procesamiento del agua de cola representa un aumento de la

producción en un 20% a 25%, cerrando con este proceso una óptima recuperación de

la materia prima hasta en 96% y además se cumple con las normas ambientales del

PAMA.

3. OPTIMIZAR/RECIRCULAR/RECUPERAR/REEMPLAZAR OPCIONES PARA UNA MEJORA

ENERGETICA :

La Ingeniería en Energía tiene dentro de su perfil profesional al desarrollo de los Proyectos

de Eficiencia, Uso Racional y Ahorro de Energía los cuales se concretizan a partir de las

Auditorias y Diagnósticos Energéticos .Se demuestra que en la mejora de los indicadores

energéticos y el ahorro de energía primaria , lo que conlleva a la reducción de los costos

por consumo de energía y la reducción parcial de las emisiones de dióxido de carbono a la

atmosfera, podemos agrupar los proyectos en 4 grandes actividades cuando realizamos el

análisis de un equipo térmico . Enunciamos lo siguiente:

OPTIMIZACION: Se puede alcanzar a través un adecuado control de los parámetros de

operación de un equipo, aquí juega un papel muy importante la automatización y el

mantenimiento predictivo y preventivo. Se puede mejorar la eficacia de un equipo

térmico por ejemplo: operando con un exceso de aire adecuado, por ejemplo para

combustibles gaseosos entre 10 a 15% y para combustibles líquidos entre 20 y 30%.

RECIRCULAR: Luego de realizar un balance de energía y expresar la distribución de los

flujos de calor entrante y calor saliente del equipo térmico en análisis, es adecuado

identificar los flujos de calores residuales, los cuales generalmente representan los

valores más elevados en perdidas, e identificando su temperatura de escape a la

atmósfera y la naturaleza de los gases de la combustión, pueden recuperados y

recirculados para aprovechar su gradiente térmico. Un buen ejemplo es a través de los

sistemas de precalentamiento del aire de la combustión.



Figura Nº 9 Recirculación de gases de la combustión

Fuente: INDUSTRIAS FIMA

REUTILIZAR: La Integración de los procesos térmicos es un concepto que surge a raíz

de la primera crisis del petróleo en la década de los 70s del siglo pasado. Se busca

integrar los diversos circuitos térmicos de distintos sistema conformantes de un

proceso con la finalidad de aprovechar adecuadamente los gradientes de

temperatura.

Figura Nº 9 INTEGRACION TERMICA EN UNA FÁBRICA DE HARINA DE PESCADO

Fuente: VS INGENIEROS CONSULTORES

REEMPLAZAR: El Reemplazo de Tecnologías es también una adecuada decisión para

poder realizar un programa de adecuado de ahorro de energía , esto puede ir desde el



reemplazo de un equipo , de toda una línea de proceso hasta la modificación total de

las instalaciones. Un ejemplo claro es lo que sucede en las Plantas de Harina de

pescado al reemplazar la Tecnología de secado de harina standard por la Tecnología

del secado a vapor con el cual se obtiene Harina Prime, de mayor valor proteico y de

mejor valor en el mercado.

FILOSOFIA ENERGETICA:

FILOSOFIA ENERGETICA:

El Ahorro y Uso eficiente de la energía, permite obtener ahorros económicos

sustanciales a una empresa, reduciendo la emisiones de gases invernadero a

la atmosfera y sobre todo sin disminuir la producción un la calidad del servicio

de la empresa, orientando las actividades hacia un desarrollo

sustentable.(R.F.G.CH)

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