capitulo 1

DISEO DE UN CALDERO DE BAJA POTENCIA PARA LA FBRICA DE ROPA LOU REN

1

CAPTULO 1:

ANLISIS DE LA DEMANDA DE VAPOR

1.1 ACTIVIDAD DE LA EMPRESA

La fbrica en la cual est enfocado nuestro estudio es la empresa LOUREN,

localizada en la ciudad de Cuenca, desde hace ms de dos dcadas; ofrece a sus

clientes la confeccin de prendas de vestir tipo casual, siendo su produccin principal

la de pantalones de mezclilla o tipo jean.

1.2 PROCESO DE ELABORACIN DE LAS PRENDAS

La mayor parte de prendas de vestir que se elaboran en la Empresa, se basan

en el proceso que se especifica en la Figura 1.1:

Figura 1.1: Proceso productivo de la empresa

Fuente: Operador de la planta


2

Para iniciar un lote de produccin se debe tener las especificaciones del

producto, esto lo define el cliente interno (almacn) o externo; se comprobar la

existencia de materia prima y se procede a iniciar el proceso de transformacin en

planta, el corte y ensamblado o cosido; stos son procesos por los cuales debern

pasar todas las prendas indistintamente del tipo de tela. De acuerdo al tipo de prenda

(normal) o tipo jean se clasifican las prendas para su posterior tratamiento qumico.

ste tratamiento se lo realiza en una planta industrial denominada Lavandera,

ubicada a las orillas del Ro Yanuncay; all se efectan los procesos que requieren de

agua a elevada temperatura con la adicin de qumicos y colorantes.

1.2.1 PROCESO DE TRATAMIENTO QUMICO

El proceso en el cual se basa el presente anlisis tcnico es el tratamiento

qumico de las prendas tipo jean, en el cual se emplea un caldero industrial para

obtener agua temperada y vapor; necesarios para tratar este tipo de tela. El

tratamiento qumico se compone de varios subprocesos, Figura 1.2; la mayora de los

cuales se llevan a cabo en una lavadora industrial de tambor horizontal.

Figura 1.2: Proceso de Tratamiento qumico

Fuente: Operador de la planta


3

A continuacin se describen cada uno de los subprocesos de tratamiento

qumico de las prendas:

Encimado

La prenda es tratada por un proceso fsico-qumico, en donde se da un

golpeteo con piedra pmez y se adiciona suavizantes con el objeto de disminuir la

aspereza original de la tela, la duracin es de una hora y se utiliza agua temperada a

60C aproximadamente.

Teido

La prenda toma la coloracin determinada por el pedido, los colores ms

utilizados son: azul en varios tonos y negro. En este tratamiento se adiciona

colorante qumico y cloruro de sodio (sal comn), por 15 minutos a una temperatura

de 100C aprox.

Fijacin

ste tratamiento qumico se lo realiza con el objeto de sellar el colorante en la

prenda y evitar as los futuras perdidas de color en las futuras lavadas. Se adiciona

qumico fijador por 10 minutos a una temperatura aproximada de 50C.

Enjuague

Se lo realiza con agua a temperatura ambiente, cada prenda pasa por 4

enjuagues de 5 minutos cada uno.

Suavizante

Se usa suavizante industrial, por 5 minutos con agua a temperatura de 50C

(aproximadamente).

Focalizado


4

Una vez terminado el proceso de suavizado, algunas prendas pasan por el

proceso de focalizado, el cual se realiza fuera de la lavadora y consiste en aplicar

figuras de varias tonalidades sobre las prendas (pantalones y casacas); stos diseos

se crean aplicando qumicos decolorantes con soplete o esponja. Despus del

focalizado las prendas nuevamente pasan por el proceso de enjuague.

1.3 DESCRIPCIN DEL ESTADO ACTUAL

Para establecer el estado actual de la caldera y sus instalaciones se procedern

a analizar las principales causas que provocan la disminucin de eficiencia y por

tanto un mayor consumo de combustible.

1.3.1 INFORMACIN GENERAL DE LA INSTALACIN

La planta de Lavandera requiere de vapor, para la mayora de sus procesos,

razn por la cual existe un cuarto de calderos que abastecen a toda la planta. Dos

calderos pirotubulares de posicin vertical permanecen en el cuarto de calderos

(Figura 1.3 y 1.4); trabaja uno a la vez, por lo que el segundo caldero puede

permanecer como caldero de emergencia. De stos se obtuvo la siguiente

informacin general:

Datos generales de los calderos (Figuras 1.3 y 1.4)

Marca: No posee.

Modelo: Pirotubular vertical.

Procedencia: Nacional

Ao de adquisicin: 1990.

Datos tcnicos de la instalacin

Presin de trabajo: 50 psi (mx.)

Presin de diseo: 100 psi (aprox.)


5

Capacidad de vapor: 110 kg/h (valor calculado)

Temperatura de vapor: 100 C

Aislamiento de tuberas: No aplica en ningn tramo

Tanque de condensado: No posee retorno de condensados, el vapor se

mezcla con qumicos y colorantes.

Figura 1.3, 1.4: Calderos de la planta de lavandera

(izq.: caldero de emergencia) Fuente: Planta LOU REN

Informacin del quemador (Figura 1.5)

Tipo: Industrial tipo soplete

Material: Acero de construccin ST - 37

Procedencia: Nacional

Funcionamiento: Principio Venturi

Informacin del combustible (Figura 1.6)

Clasificacin: Gaseoso

Tipo: Gas domstico (14.7 kg.)

Alimentacin: Directa (presin interna del cilindro)

Consumo: 12 tanques diarios (segn histrico de la planta)


6

Figuras 1.5, 1.6: Quemador y sistema alimentacin del combustible

Fuente: Planta LOU REN

Informacin del agua de alimentacin

Presin: Atmosfrica

Fuente: El agua es bombeada del Ro Yanuncay

Temperatura: 18 20 C (ambiente)

Tratamiento: Se realiza un filtrado de partculas slidas.

Aditivos: No se utiliza aditivos qumicos.

Informacin de la bomba de alimentacin

Tipo: Centrfuga

Marca: PEDROLLO

Procedencia: Italia

Presin mxima: 100 psi.

Velocidad: 3450 rpm

Potencia: 2 HP

Caudal a 50 psi: 25 GPM

Informacin del tanque de diario

Material: Chapa metlica

Volumen: 55 gal.


7

1.3.2 DISTRIBUCIN ACTUAL DEL SISTEMA DE GENERACIN DE

VAPOR

Los calderos suministran vapor hacia el rea de tratamiento qumico

siguiendo la siguiente instalacin:

Figura 1.7: Distribucin de la lnea de vapor

Fuente: Los autores

Como se observa en la Figura 1.7, uno de los calderos que se encuentre en

funcionamiento alimenta la lnea de vapor hacia las lavadoras en donde se realizan

los subprocesos descritos en el numeral 1.2.1.

1.3.3 ANLISIS DEL SISTEMA ACTUAL DE GENERACIN DE VAPOR

El sistema actual de vapor presenta ciertas deficiencias ya sea en la

instalacin u operacin de cada uno de los equipos. Al igual que en los calderos, las

bombas, la tubera en general, vlvulas de distribucin, de seguridad, quemador y

otros instrumentos, presentan patrones comunes de corrosin, falta de

mantenimiento, prdidas por fugas, por transferencia de calor, entre los principales

problemas que se han podido estimar. Dichos inconvenientes aportan para que el

sistema presente una baja eficiencia, por tanto deben ser mejorados o erradicados,

segn sea el caso. Se tratar a continuacin de describir el estado de cada situacin


8

desfavorable para el sistema, as como se calcularn ciertos parmetros para

cuantificar las prdidas econmicas que representan actualmente a la empresa.

Corrosin (Figura 1.8)

La presencia de corrosin es visible tanto en las paredes de los calderos como

en los dems equipos e instrumentos de la instalacin; as, vlvulas, niveles,

quemador y dems accesorios presentan un alto grado de corrosin superficial,

sufriendo de manera acentuada las superficies externas alrededor del caldero; como

se pude apreciar en las imgenes presentadas a continuacin:

Figura 1.8: Pared del caldero principal

Fuente: Planta LOU REN

Fugas

En las tuberas se observa que las uniones carecen de hermeticidad,

permitiendo que pequeas cantidades de vapor estn escapando continuamente,

provocando cadas de presin y por ende pequeas prdidas.

En la superficie externa del caldero es notoria la presencia de corrosin

causada por fugas de agua ubicadas en las uniones de la envolvente, as como

tambin, existen fugas de agua en la parte posterior de los tubos de humos, sta

situacin muchas veces se ha complicado a tal punto de tener que sellar algunos

tubos para evitar los goteos hacia la parte del hogar.


9

Mantenimiento

El operador de calderos coment que actualmente no se brinda ningn tipo de

mantenimiento preventivo, por lo que se aplican correcciones una vez que se han

producido la avera. Las principales reparaciones que se han tenido que tratar han

sido fracturas y poros en los tubos, estas fallas debidas a operaciones indebidas y un

inadecuado tratamiento de agua.

Fractura de tubos

La fractura de los tubos es ocasionada por un choque trmico. ste fenmeno

ocurre cuando el nivel bajo de agua provoca una elevacin de temperatura por

encima de los lmites de diseo, as los tubos y todo el cuerpo del caldero entra a un

sobrecalentamiento de corta duracin. Si en esos momentos se intenta abastecer al

caldero con agua al ambiente (fra), se produce un choque trmico muy peligroso.

Este tipo de inconveniente se ha presentado en mltiples ocasiones en la planta, por

lo que la estructura de los calderos, sus accesorios y dems elementos han sufrido

graves deterioros. Los esfuerzos deberan ir dirigidos a mejorar los procedimientos

de operacin (supervisin de niveles y mantenimientos) y el diseo de la instalacin

(controles automticos, reparacin de niveles, otros).

Figura 1.9: Sobrecalentamiento de corta duracin

Fuente: Revista Tecnolgica ESPOL Ciencia 20031

1 CHAVEZ, Wilson; Causas de fallas en calderas; Revista Tecnolgica ESPOL Ciencia; 2003; p.59.


10

Poros

Este tipo de fallas se presentan por una oxidacin trmica producida por un

sobrecalentamiento de larga duracin sobre los tubos. Este va formando capas

gruesas, frgiles y oscuras de xido sobre las superficies internas como externas de

los tubos. El desprendimiento de costras producto de la oxidacin, es un proceso

continuo hasta que aparece el agujero o poro.

Figura 1.10: Falla de tubo por oxidacin trmica

Fuente: Revista Tecnolgica ESPOL Ciencia 20032

Tratamiento del agua

Al momento el agua que se utiliza en el caldero proviene de una fuente

hidrolgica, el tratamiento que recibe antes de ingresar al tanque diario es el filtrado

de partculas slidas presentes en el lquido. No se cuenta con tratamiento qumico

alguno, que permitan la eliminacin de dureza y el control de alcalinidad, por lo

tanto podemos concluir que internamente el caldero tiene precipitaciones de sales; las

cuales disminuyen la eficiencia en la transferencia de calor.

1.3.4 ESTUDIO DE LAS PRDIDAS TRMICAS AL AMBIENTE

Actualmente las tuberas que conectan al caldero con las lavadoras no poseen

ningn tipo de aislante trmico; lo que significa que existen descensos de

2 CHAVEZ, Wilson; Causas de fallas en calderas; Revista Tecnolgica ESPOL Ciencia; 2003; p.57.


11

temperatura debido a la conveccin natural y radiacin hacia el medio ambiente;

levantando las sospechas de un alto grado de prdidas por transferencia de calor.

1.3.4.1 PERDIDAS TRMICAS POR LAS TUBERAS

Para cuantificar ste tipo de prdidas se realizara un clculo de transferencia

de energa al medio ambiente, para lo cual partiremos de los datos iniciales

conocidos.

En las paredes de las tuberas, se registra una temperatura promedio de 90 C;

y la temperatura del cuarto de calderos oscila entre los 20 5 C. Por lo tanto:

Figura 1.11: Dimensiones de la tubera de vapor

Fuente: Los autores

Se trata de tubera de acero galvanizado, la cual tiene una temperatura

superficial promedio de 90C (363 K) y una longitud total de 30 metros (figura 1.11).

El valor de la emisividad3 de la tubera es 0713.0tubera . Los datos del cuarto de

calderos es 20C (293 K) por lo que es necesario calcular el coeficiente de

transferencia de calor por conveccin sobre la superficie ( convh ).

3 CENGEL, Yunus; Transferencia de calor; Ed. Mc Graw Hill; 2000; Tabla A-18; p. 740.


12

Para determinar las propiedades del aire se necesita hallar la temperatura de

pelcula del rea superficial de la tubera.

K328

C55

2

2090

2

f

f

f

s

f

T

T

T

TTT

Las propiedades del aire a 55C y presin atmosfrica (1 atm) se obtienen

directamente de las tablas de propiedades del aire:

7215.0Pr

/sm10847.1

C W/m027715.0

25

k

La prdida total de calor por conveccin y radiacin combinadas para una

tubera horizontal es:

44** TTATTAhQQQ sstuberiassconvradconvtuberias

En donde As es el rea superficial de toda la tubera, por lo que se halla con el

dimetro (D) y la longitud total (L).

2m298.3

30035.0

**

s

s

s

A

A

LDA

El coeficiente de conveccin (hconv) para el caso de la tubera horizontal se

puede obtener de la relacin siguiente:

KW/m 2conv DNuD

kh

Para lo cual se requiere obtener el nmero de Nusselt, se utilizar una

correlacin emprica del nmero promedio para la conveccin natural sobre

superficies, en este caso un cilindro horizontal. Para determinar ste nmero se


13

requiere los nmeros de Prandtl (Pr) y Rayleigh (Ra), y el coeficiente de expansin

volumtrica del aire (), los que se hallan con las siguientes relaciones:

1K003048.0K328

11

fT

2

27/816/9

6/1

Pr/559.01

387.060.0

RaNu

6

2

3

10189845.0

Pr*

xRa

v

DTTgRa s

Con los valores hallados podemos encontrar directamente el nmero de

Nusselt:

2335.9

7215.0/559.01

31.189845387.060.0

2

27/816/9

6/1

Nu

Nu

Se determina el coeficiente de conveccin:

K W/m3116.7

2335.9m035.0

W/m.K027715.0

2

conv

conv

h

NuD

kh

Con el coeficiente de conveccin y los datos para el anlisis de radiacin, es

posible encontrar la prdida total de calor:

44 TTATTAhQ ssssconvtuberias

W54.1821tuberiasQ

Transferencia Energa

rea superficial de las tuberas 1,82 kW


14

Prdida de calor relacionada con el consumo de combustible

Con el fin de apreciar las prdidas de calor en valores de combustible,

relacionar dicho flujo de calor con el consumo de combustible en un periodo de

tiempo. Primero se estimar un flujo msico de combustible utilizado, en base al

histrico de la Planta.

kg/s004083.0

s 3600

hora 1*

tanque1

kg 7.14*

hora

tanque1

comb

comb

m

m

As se obtendr la energa perdida por kilogramo de combustible:

kg/s004083.0

kJ/s8215,1

comb

tuberas

tuberiam

QH

Donde:

tuberasQ Energa perdida por la superficie de las tuberas [W]

combm Flujo msico de combustible [kg/s]

combkg

kJ042.446tuberiaH

Otro dato necesario es el poder calorfico inferior del propano comercial4

(PCI), que se multiplica por el factor de conversin (1 kcal = 4.184 kJ) para poderlo

trabajar:

kg

kJ08.46367

kg

kcal11082PCI

Se obtiene el porcentaje de energa perdida en funcin del poder calorfico del

combustible:

%962.0perdidaEnergia

PCIperdidaEnergia

tuberas

tuberastuberiasH

4 Catlogo de gases industriales AGA 2003.


15

1.3.4.2 PRDIDAS TRMICAS POR LAS SUPERFICIES DEL CALDERO

Actualmente, el caldero se encuentra instalado sin material refractario

externo, l mismo que se ha perdido debido a un inadecuado mantenimiento, fallas

graves del caldero, agresiones ambientales, entre otras.

La temperatura que se registra en las paredes del caldero oscila entre 95

3C y la temperatura ambiente se encuentra entre los 20 5 C. Al igual que el en

las tuberas, se deber considerar un anlisis de transferencia de calor por conveccin

natural y radiacin hacia el ambiente. A diferencia del caso anterior se debern

utilizar las ecuaciones de un cilindro vertical.

As, tenemos los datos iniciales, Figura 1.12, para estimar cuantitativamente

las prdidas mencionadas:

Figura 1.12: Dimensiones del caldero vertical

Fuente: Los autores

Se trata de un acero intensamente oxidado, el cual se mantiene a una

temperatura superficial de K36895 CTs , de las tablas tomamos una emisividad

de 0.82 y su K m

W7.56acerok .


16

Con el dimetro del caldero y su altura (figura 1.12), se halla el rea

superficial del caldero que transfiere calor hacia el exterior tiene el siguiente valor:

2m95.2** HDAs

Para determinar el coeficiente de conveccin natural del caldero vertical se

utilizar la relacin con el nmero de Nusselt, y para hallar ste se debern encontrar

otras relaciones necesarias como los nmeros de Grashoft (Gr), Prandtl (Pr) y

Rayleigh (Ra). La longitud caracterstica de la superficie ser igual a la altura del

cilindro: m22,1 , CC LHL y el coeficiente de expansin volumtrica se

calcula a una temperatura de pelcula del aire de:

K5,330C5,572

2095

2

f

s

f

T

TTT

1K0030248.0K5,330

11

fT

Las propiedades del aire a la temperatura de pelcula (57.5C) y presin

atmosfrica (1 atm) se obtienen directamente de las tablas de propiedades del aire:

72085.0Pr

/sm108715.1

C W/m0278975.0

25

k

Numero de Grashoft de la superficie externa del caldero

2

3

v

LTTgG CSr

3.41153826176rG

Numero de Rayleigh

78.8317355992

Pr

a

ra

R

GR


17

Un cilindro vertical puede tratarse como una placa vertical cuando cumple la

siguiente condicin5:

13,077,0

3,41153826176

)22,1(*3577,0

35

4/1

4/1Gr

LD

Por lo tanto cumple la condicin; y se tratar a la envolvente del caldero

como una placa vertical:

61.202

1,03/1

Nu

RaNu

Se calcula el coeficiente de transferencia de conveccin por medio del

nmero Nusselt:

k

LhNu cconv

*

c

convL

Nukh

*

K*m

W633,4

2ch

La prdida total de calor por conveccin y radiacin combinadas para la

superficie del caldero es:

44

caldero-sup ** TTATTAhQQQ ssacerossconvradconv

W61.2529calderosupQ

Transferencia Energa

Envolvente cilindro 2,5296 kW

5 CENGEL, Yunus; Transferencia de calor; Mc Graw Hill; Cap. 9; p.467; Ecuacin 9.28


18

Prdida de calor relacionada con el consumo de combustible

Como se procedi en las prdidas de calor por las superficies de las tuberas,

de igual forma se analizar para la superficie del caldero. Se obtendr la energa

perdida por kilogramo de combustible6:

combm

QH

calderosup

calderosup

comb

caldero-supkg

kJ49,619H

Relacionndolo con el PCI del propano comercial se obtiene el porcentaje de

energa perdida en funcin del poder calorfico del combustible:

%336.1perdidaEnergia

100%*46367.08

619,49perdidaEnergia

PCI

HmperdidaEnergia

calderosup

calderosup

calderosup

Sumando todas las prdidas tenemos:

%3.2perdidaEnergia

336.1962.0perdidaEnergia

perdidaEnergiaperdidaEnergiaperdidaEnergia

TOTAL

TOTAL

calderosuptuberasTOTAL

Estos valores se dejarn representados en porcentajes, para ms adelante en el

mismo captulo, relacionarlos con los costos actuales de produccin de vapor y as

obtener las prdidas en unidades monetarias.

6 Se procede con los datos del combustible utilizados en la pgina 14.


19

1.4 DIAGNSTICO DE LA PRODUCCIN ACTUAL DE VAPOR

Para continuar con la descripcin del estado actual de la Planta se debern

obtener valores bsicos del sistema, como la demanda de vapor y el consumo de

combustible actuales. Dichos valores sern puntos de partida para futuros estudios.

1.4.1 CONSUMO DE VAPOR

Para conocer el consumo de vapor se partir del volumen de agua que

suministra la bomba al caldero en un determinado periodo de tiempo. El tanque de

diario se trata de un cilindro de 55 galones, envase que normalmente se lo encuentra

como recipiente de aceite. ste tiene un dimetro de 54 cm y una altura de 120 cm.

Figura 1.13: Consumo de agua del tanque de alimentacin

Fuente: Los autores

Cuando se acciona la bomba del caldero el nivel de agua en el tanque

disminuye una altura de 46 cm, por lo cual es posible calcular el volumen

succionado:

3

2

m1053.0

*4

*

*

V

hD

V

hAreaV


20

Con el volumen ingresado y la densidad del agua a 18C (H2O = 998 kg/m3),

se puede encontrar la masa de agua:

OH22kg13.105

*

OHm

densidadVolumenmasa

El tiempo que le toma a la bomba en alimentar al caldero la masa de agua

calculada es de 1 min 11 seg. La misma cantidad de agua que se suministra a la

planta para que trabaje durante una hora, utilizando las cuatro mquinas lavadoras;

por lo que nos permite obtener la siguiente tasa de consumo de vapor:

h

kg13.105

hora 1

kg13.105

OH

OH

2

2

2

2

OH

OH

m

m

Este valor es muy importante para posteriores anlisis y como base del diseo

del nuevo caldero. Se estima un porcentaje de prdidas por fugas, ste ser del 5%

del caudal msico:

OH

OH

2

2

kg87.99

h

kg256.5

%5*

real

prdidasvaporreal

prdidas

vaporprdidas

m

mmm

m

mm

El vapor se mezcla con agua a temperatura ambiente y se obtiene agua

temperada dentro de la lavadora; la temperatura depender del tipo de tratamiento

que se ste dando a la prenda; as como el tiempo de cada procedimiento. Una

pequea parte del vapor se utiliza para calentar una piscina en donde se encuentran

colocados los cilindros de combustible.


21

1.4.2 CONSUMO PROMEDIO DE COMBUSTIBLE

Para el trabajo diario se utilizan un promedio de doce cilindros de gas

domestico por da, dato proporcionado por el operador de Planta; siendo el ritmo de

trabajo de once a doce horas diarias. Por lo tanto se estima que el consumo de

combustible utilizado es de 1 cilindro de gas propano (14.75 kg) por hora.

1.5 COSTOS ACTUALES DE PRODUCCIN DE VAPOR

El costo actual de produccin de vapor es la sumatoria de los costos que

generan cada uno de sus elementos como el combustible del caldero, el consumo de

energa elctrica de la bomba de alimentacin, el tratamiento del agua de

alimentacin y otros costos que intervengan, como mantenimiento del caldero, etc.

1.5.1 COSTO DEL COMBUSTIBLE

Conociendo que se utiliza un cilindro por hora, entonces partimos del precio

unitario del cilindro de gas domstico de 14.7 kg que es 1,60 dlares. Entonces

tenemos:

Por periodo Unidades Costo unitario

($)

Costo total

($)

Diario 12 1.80 21,60

Mensual (24 das) 288 1.80 518,40

1.5.2 COSTO DEL CONSUMO ELCTRICO DE LA BOMBA

CENTRIFUGA

Para obtener el consumo mensual7 de la bomba centrfuga multiplicamos la

potencia del motor (W) por el nmero de horas usado al mes. Sabemos que el motor

7 Clculo tomado de la pgina web www.centrosur.com.ec


22

de la bomba se acciona cada hora por un periodo de 71 segundos; este periodo es

suficiente para llenar el caldero a su mximo nivel y abastecer a las cuatro estaciones

de teido. As tambin; tomando en cuenta que se trabaja 12 horas, ms dos purgas

diarias, para la limpieza de sales y lodos del caldero, entonces tenemos:

h/da2761,0

seg 3600

hora1*

dia

seg 994

dia

veces14*

vez

seg71

diapor

diapor

diapor

H

H

H

La potencia del motor de la bomba indica 2 HP, lo que nos da 1491,402 W,

adems se trabajan 24 das al mes, ste como tiempo promedio.

kWh883.9 Consumo

1000

242761.0402.1491 Consumo

1000

N*H*(W)Pot Consumo

bomba-elec-energia

bomba-elec-energia

mes-diasdia-por

bomba-elec-energia

Representando este valor en unidades monetarias segn se calcula en la

siguiente tabla:

Consumo energa

(kWh)

Costo unitario

kWh

($)

Costo total

mensual

($)

9.88 0,0827 0,817

Valor que resulta econmico y poco influyente en el costo total de la

generacin de vapor.


23

1.5.3 COSTO DE GENERACIN DE VAPOR

Como se mencion anteriormente son varios los valores que deben sumarse

para tener el valor total de generacin de vapor, entre los que se consideran son:

costo por combustible, costo de energa elctrica de la bomba, un filtro para el agua

de alimentacin; ste tiene un costo de $12.0 y se lo cambia de manera semestral;

costo de mantenimiento no se estima pues se carece de medidas preventivas y no hay

datos de las correctivas ocasionalmente realizadas. As podemos explicar en una

tabla de valores:

Costo actual de generacin de vapor (gas domstico):

Total:

Descripcin

Agua de alimentacin

Combustible para caldero

(gas domstico)

Filtro de agua

Energa elctrica

(bomba de alimentacin)

Unidades mensual Costo unitario

($)

Costo mensual

($)

1,80 518,40 288 cilindros

1261,67 lts

0,167 unid

0,00 0,00

15,00 2,50

0,08 0,82

521,72

9,883 kWh

El costo por unidad de vapor generado se obtiene relacionando el costo total

mensual con el gasto mensual de vapor:

mensual generadoVapor

mensual totalCostogenvaporCosto

Para lo cual, el vapor generado mensual se obtiene a partir del valor de flujo

msico por hora8, para 12 horas diarias y para 24 das al mes:

8 Seccin 1.4.1; p. 20.


24

mensual

ton277.30

mensual

kg44.30277

mensual

dias24*

dia

h12*

h

kg13.105

vapor

vapor

vapor

vapor

vapor

vapor

m

m

m

As, el costo de vapor generado por mes ser:

vapor

vapor

/ton$23,17

/meston277.30

$/mes 72,521

genvapor

genvapor

Costo

Costo

El costo actual de generacin de vapor puede resultar econmico en

apariencia, por que est considerando un precio del gas propano de uso domstico,

que goza del subsidio del gobierno actual. En el caso de que la fbrica tomase la

decisin de utilizar el gas propano industrial en tanques de 45 kg; tendra que

cambiar el precio por cilindro de $ 1.80 a $ 28.0 o $ 33.0 (dependiendo de la

ubicacin). Siendo este el caso, el costo de produccin de vapor con la utilizacin

del gas industrial sera:

Costo actual de generacin de vapor (gas industrial):

0,82

Total: 2.825,72

Energa elctrica

(bomba de alimentacin)9,883 kWh 0,08

0,00

Filtro de agua 0,167 unid 15,00 2,50

Agua de alimentacin 1261,67 lts 0,00

Descripcin Unidades mensual Costo unitario

($)

Costo mensual

($)

Combustible para caldero

(gas industrial)94 cilindros 30,00 2.822,40


25

Se obtendr el costo de generacin de vapor con los datos anteriormente

utilizados:

vapor2

vapor

2

/ton$33,93

/meston277.30

$/mes 72,825.2

genvapor

genvapor

Costo

Costo

Este valor resulta elevado respecto a la opcin actual, por lo que no se

recomendara el uso del gas propano como combustible para el nuevo caldero a

disearse. Esta consideracin se ampliar ms en los captulos posteriores.

1.5.4 GASTOS POR LAS PRDIDAS TRMICAS AL AMBIENTE

Podemos directamente deducir en unidades monetarias el valor de prdidas

existentes por la transferencia de calor al ambiente; as:

Costo total (mensual) con gas domstico: $521,72

Costo total (mensual) con gas industrial: $2.825,72

Energa

trmica

perdida

Porcentaje

(%)

Costo mensual

($)

Costo anual

($)

Gas

domstico

Gas

industrial

Gas

domstico

Gas

industrial

Tuberas 0,96 9 5,00 27,04 60,00 324,48

Superficie del

caldero 1,33

10 6,93 37,54 83,16 997,92

TOTAL 2,29 11,93 64,58 143,16 1.322,40

Los valores actuales, con el uso del gas domstico, pueden resultar muy

mdicos y soportables; pero al momento que la Empresa decida cambiar por el uso

9 Seccin 1.3.4.1; p. 14. 10 Seccin 1.3.4.2; p.18.


26

del cilindro tipo industrial, los valores ya no son tan despreciables desde el punto de

vista econmico y rentable.

1.6 DETERMINACIN DE LA EFICIENCIA DE LA CALDERA

El siguiente clculo de la eficiencia se basa en el calor aportado por el

combustible al agua temperatura ambiente para la obtencin de vapor. Con el flujo

msico del combustible11

y su correspondiente poder calorfico inferior se procede:

seg

kg00408,0 combcombm y

kg

kJ08.46367PCI

s

kJ177.189

kg

kJ08.46367*

s

kg00408,0

PCI*

comb

comb

comb

comb

combcomb

Q

Q

mQ

Para efectos de clculo es necesario conocer el calor transferido al interior de

la caldera; por lo tanto se requiere un volumen de control, el cual se muestra en la

figura 1.14:

Figura 1.14: Esquema de transferencia del caldero

Fuente: Los autores

11 Seccin 1.3.4.1; p. 14.


27

Siendo nuestros puntos de referencia la entrada y salida del caldero; los

cuales se encuentran a:

Entrada al caldero Salida del caldero

entT 18C salT 100C (aprox.)

entP 50 psi (344,73 kPa) salP 50 psi (344,73 kPa)

comprimidoliqh 75.9846 kJ/kg satvaph 2731.584 kJ/kg

Para encontrar el calor de entrada hacia el fluido se utilizarn las propiedades

obtenidas y directamente se tiene:

aguakJ/kg59.2655ent

compliqsatvaporent

h

hhh

El flujo msico del agua12

es:

kg/s0292.0

s 3600

h1*

h

kg 13.105

2

2

OH

OH

m

m

El calor transferido al interior del caldero se encuentra multiplicando la

entalpa por el flujo msico de agua:

kJ/s55.77

*

2

22

OH

OHentOH

Q

mhQ

Por lo tanto se puede calcular la eficiencia trmica del sistema con el uso de

la siguiente ecuacin:

12 Seccin 1.4.1; p. 20.


28

%99.40

177.189

55.77

caldero

caldero

caldero2

comb

OH

Q

Q

El valor de eficiencia trmica del caldero se considera muy bajo, comparado

con valores que se estiman para calderos pirotubulares tipo vertical; por lo cual se

continua trabajando en proponer un diseo econmicamente atractivo para el

propietario de la fbrica; as como ciertas mejoras al sistema con el fin de reducir las

prdidas actuales y proporcionar una mejor eficiencia en el consumo de combustible.

capitulo 1

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