Documento 975469
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2 MANUAL PARA LA GESTIÓN EFICIENTE DEL AGUA EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA ORGANIZACIÓN DE NACIONES UNIDAS PARA EL DESARROLLO INDUSTRIAL Viena, 2007 i © Derecho de autor: Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial (ONUDI)/ Instituto de investigaciones para la Industria Alimenticia (IIIA) El contenido de este documento no debe ser reproducido, almacenado en sistemas de datos o transmitido en cualquier forma o medio sin permiso escrito previo de la ONUDI o del IIIA. La reproducción parcial para uso no lucrativo es permitida siempre que sea reconocida la autoría de la ONUDI/ IIIA. Las opiniones expresadas en el presente documento solo reflejan las de sus autores y no necesariamente reflejan los puntos de vista de la ONUDI o del IIIA. Los autores están autorizados legalmente para la utilización de diagramas, gráficos, fotos, etc., que representan empresas/ industrias, procesos y productos. La mención de nombres de empresas, industrias, procesos y productos comerciales no implican su reconocimiento por parte de la ONUDI o del IIIA. La Vicedirectora de la División de Energía y Producción Mas Limpia de la ONUDI, Sra. Mayra Sánchez Osuna le extiende su más sincera gratitud a todos los que han hecho posible la elaboración e impresión de este Manual, a las autoridades que lo apoyaron, así como a los autores del mismo: Ing. Yeniseis Pérez Fajardo, IIIA Lic. Michel García Miniet, IIIA Instituto de Investigaciones para la Industria Alimenticia (IIIA) Carretera al Guatao, km 3 ½ La Lisa, C. Habana, Cuba e-mail: agu@iiia.edu.cu Teléf.: 537-2020919 Organización de Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial (ONUDI) Viena Internacional Centre, P.O. Box 300, A-1400 Viena, Austria e-mail: m.sanchez-osuna@unido.org Teléf.: 431-260260Sitio web: www.unido.org ii PRÓLOGO La Cumbre de Río dio a conocer al mundo la conveniencia de armonizar las necesidades del ser humano con la preservación ambiental, utilizando de una forma más responsable los recursos naturales. La generación y el uso de la energía se han convertido en un tema prioritario en el mundo, debido al agotamiento de los recursos naturales no renovables, los impactos ambientales asociados y los altos costos de su consumo. Cuba es signataria de varios tratados internacionales que contribuyen a la protección del medioambiente y se ha propuesto el reto, en relación al tema de la energía, de tomar la eficiencia energética como su fuente de energía más barata y menos contaminante. La industria alimentaria cubana se suma al esfuerzo del país por realizar una gestión eficiente de la energía, buscando obtener reducción en los costos y compatibilidad con el medioambiente, aplicando el concepto de eficiencia energética integrado al enfoque preventivo y continuo de la Producción Más Limpia (PML) logrando así, una potente herramienta que ha sido llevada exitosamente a la práctica en Cuba, por el grupo de trabajo del Instituto de Investigaciones para la Industria Alimenticia (IIIA), integrante de uno de los Puntos Focales de la Red Nacional de PML organizada con apoyo de la Organización de Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial (ONUDI). Se ha logrado la introducción e implementación de enfoques y metodologías de PML para el uso eficiente de la energía en empresas representativas de los diversos subsectores de la industria cubana procesadora de alimentos (bebidas, lácteo, cárnico y conservas de frutas y vegetales), con la ejecución de casos prácticos que sirven de referencia nacional. En el periodo 2001 – 2007 esta aplicación práctica ha significado aportes económicos por el concepto de ahorro de energía de 7,530 MWh y beneficios ambientales que se reflejan en la reducción de unas 2,000 t de CO2 emitidas a la atmósfera. Este Manual ha sido elaborado a partir de la recopilación de información de un gran número fuentes e incluye las experiencias prácticas desarrolladas por el grupo de PML del IIIA, siempre con el apoyo invaluable de los trabajadores y directivos de la industria, con la certeza de alcanzar una gestión más eficiente de la energía en las industrias cubanas procesadoras de alimentos. Es nuestro mayor deseo que sea de utilidad para técnicos y profesionales de todo el sector alimentario y contribuya a elevar la competitividad de nuestras empresas y la protección del medioambiente. iii RESUMEN La gestión eficiente de la energía disminuye el impacto de su generación y uso sobre el medio ambiente y representa además una manera de reducir costos y mejorar el desempeño ambiental del sector industrial. El presente Manual está enmarcado en la utilización de la energía en la industria alimentaria, la aplicación del enfoque de producción más limpia, a partir de su definición de estrategia continua y preventiva, integrado al de eficiencia energética que permita el mejor empleo de la energía y brinda información técnica, la cual, para su mejor entendimiento, se dividió en energía eléctrica y energía térmica. La primera trata sobre motores eléctricos, sistemas de trasiego, de ventiladores y sopladores, sistemas de aire comprimido, refrigeración, aire acondicionado, secadores y sistemas de iluminación. La segunda trata sobre combustibles, combustión, balances de masa en los procesos de combustión, generadores de vapor de agua, calidad del agua en el interior de las calderas, purgas, fugas de vapor, aislamiento térmico, factores que inciden en la transferencia de calor en los procesos, recuperación de calores residuales y uso del vapor en procesos de la industria procesadora de alimentos. El Manual está concebido para facilitar a especialistas y directivos la toma de decisiones correctas y efectivas que beneficien a la industria y al medioambiente. ABSTRACT The efficient administration of the energy diminishes the impact of its generation and use on the environment and it also represents a way to reduce costs and to improve the environmental acting of the industrial sector. The present Manual is framed in the use of the energy in the food industry, its application is focused on cleaner production, starting from its definition of continuous and preventive strategy, integrated to that of energy efficiency that allows the best employment of the energy and it offers technical information which, for its best understanding was divided in electric power and thermal energy. The first one tries on electric motors, pump systems, fans and blowers, compressed air systems, refrigeration, air conditioning, dryers and lighting systems. The second try on fuels, combustion, mass balances in combustion processes, steam generators, quality of the water inside the boilers, purges, steam leakage, thermal isolation, factors that impact on the heat transfer of the processes, recovery of residual heats and use of steam in the food industry processes. The Manual was conceived to facilitate specialists and managers the taking of correct and effective decisions that benefit to the industry and the environment. TABLA DE CONTENIDO PRÓLOGO ........................................................................................................................................................ II RESUMEN ........................................................................................................................................................ III 1.0. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 1 2.0. USOS DE LA ENERGÍA EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA ............................................................ 6 2.1. USOS DE LA ENERGÍA .......................................................................................................................... 6 2.2. ACTIVIDADES MÁS FRECUENTES EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA............................................................. 6 2.3. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES MÁS FRECUENTES EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA Y USO DE LA ENERGÍA .......................................................................................................................................................... 8 2.4. CONSUMO DE ENERGÍA EN ALGUNOS SECTORES DE LA INDUSTRIA ALIMENTARIA ......................................... 19 2.4.1. Procesamiento de la carne ........................................................................................................... 19 2.4.2. Procesamiento de frutas y vegetales ............................................................................................ 19 2.4.3. Procesamiento de la leche ........................................................................................................... 20 2.4.4. Producción de pastas ................................................................................................................... 21 2.4.5. Producción de cerveza ................................................................................................................. 21 2.4.6. Producción de aceites vegetales .................................................................................................. 22 3. EFICIENCIA ENERGÉTICA VINCULADA A LA PRODUCCIÓN MÁS LIMPIA ................................... 23 3.1. INTEGRACIÓN DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA Y LA PRODUCCIÓN MÁS LIMPIA ...................................... 23 3.2. METODOLOGÍA PARA LA APLICACIÓN DE PML – EE ............................................................................ 23 3.2.1. Etapa 1: Planificación y organización ........................................................................................ 24 3.2.2. Etapa 2: Pre – Evaluación ......................................................................................................... 26 3.2.3. Etapa 3: Evaluación ................................................................................................................... 29 3.2.4. Etapa 4: Análisis de factibilidad económica............................................................................... 30 3.2.5. Etapa 5: Implementación y Continuación .................................................................................. 33 3.3. ASPECTOS A CONSIDERAR EN EL USO EFICIENTE DE LA ENERGÍA A PARTIR DE LA APLICACIÓN DE LA PML .... 33 4.0. GESTIÓN EFICIENTE DE LA ELECTRICIDAD ............................................................................... 35 4.1. MOTORES ELÉCTRICOS ..................................................................................................................... 35 4.1.1. Manejo de velocidad variable ....................................................................................................... 37 El uso de esta información, conociendo los requerimientos para el uso del motor, permite evaluar la alternativa de control de velocidad con la que se trabaja y modificarla para lograr mayor eficiencia en la operación. ............................................................................................................................................... 38 4.1.2. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía.............................................................. 38 4.2. SISTEMAS DE TRASIEGO. BOMBAS ........................................................................................................... 39 4.2.1. Principios de proporcionalidad o leyes de afinidad ...................................................................... 43 4.2.2. Estrategias para el control del flujo............................................................................................... 44 4.2.3. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía.............................................................. 45 4.3. SISTEMAS DE VENTILADORES Y SOPLADORES ........................................................................................... 45 4.3.1. Comportamiento operacional de los ventiladores ........................................................................ 47 4.3.2. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía.............................................................. 48 4.4. SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDO .............................................................................................................. 49 4.4.1. Aspectos que tienen repercusión en la mejora de la eficiencia energética de un sistema de aire comprimido.............................................................................................................................................. 50 4.4.2. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía.............................................................. 52 4.5. REFRIGERACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO ........................................................................................... 53 4.5.1. Carga de enfriamiento .................................................................................................................. 58 4.5.2. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía.............................................................. 60 4.6. SECADORES ........................................................................................................................................... 61 4.6.1. Criterios de consumo energético .................................................................................................. 64 4.6.2. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía.............................................................. 65 4.7. SISTEMAS DE ILUMINACIÓN ...................................................................................................................... 65 4.7.1. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía.............................................................. 68 5.0. GESTIÓN EFICIENTE DE LA ENERGÍA TÉRMICA ......................................................................... 69 5.1. COMBUSTIBLES ................................................................................................................................ 69 5.1.1. Análisis de los combustibles ...................................................................................................... 69 5.1.2. Valores calóricos de los combustibles ....................................................................................... 70 5.1.3. Almacenamiento y manejo de combustibles ............................................................................. 72 5.2. COMBUSTIÓN ................................................................................................................................... 73 5.2.1. Aire para la combustión ............................................................................................................. 74 5.2.2. Gases productos de la combustión .............................................................................................. 74 5.2.3. Oxígeno y aire teórico requerido ............................................................................................... 75 5.2.4. Exceso de aire para la combustión ............................................................................................ 75 5.3. BALANCES DE MASA EN LOS PROCESOS DE COMBUSTIÓN .................................................................... 77 5.4. GENERADORES DE VAPOR DE AGUA ................................................................................................... 79 5.4.1. Clasificación de los generadores de vapor ................................................................................ 79 5.4.2. Equipos que integran el generador de vapor............................................................................. 81 5.4.3. Balance de energía en los generadores de vapor ..................................................................... 82 5.4.3.1. Factor bruto de evaporación .................................................................................................................. 84 5.4.3.2. Índice específico de evaporación ........................................................................................................... 84 5.4.3.3. Rendimiento bruto de un generador de vapor........................................................................................ 84 5.5. CALIDAD DEL AGUA EN EL INTERIOR DE LA CALDERA............................................................................ 89 5.6. PURGAS ................................................................................................................................................. 94 5.7. FUGAS DE VAPOR.................................................................................................................................... 97 5.8. AISLAMIENTO TÉRMICO ..................................................................................................................... 99 5.8.1. Acabado del sistema de aislamiento térmico ............................................................................. 101 5.8.2. Cuantificación de las pérdidas de energía producto del no aislamiento .................................... 102 5.8.2.1. Pérdida de energía a través de una pared .............................................................................. 102 5.8.2.2. Pérdida de energía a través de la pared de un tubo ............................................................... 103 5.8.2.3. Método simple para calcular la pérdida de energía en superficies ...................................................... 107 5.8.3. Espesor óptimo del aislamiento térmico ..................................................................................... 108 5.9. FACTORES QUE INCIDEN EN LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN LOS PROCESOS ................................... 109 5.9.1. Eliminación del aire ..................................................................................................................... 112 5.9.2. El condensado y su evacuación .............................................................................................. 114 5.10. SISTEMA DE TRAMPAS DE VAPOR ..................................................................................................... 114 5.10.1. Trampas termostáticas ........................................................................................................ 115 5.10.1.1. 5.10.1.2. 5.10.1.3. 5.10.1.4. 5.10.1.5. 5.10.2. 5.10.2.1. 5.10.2.2. 5.10.2.3. 5.10.2.4. 5.10.3. 5.10.3.1. 5.10.3.2. 5.10.3.3. Tipo de presión equilibrada o balanceada ..................................................................................... 115 Trampas de expansión líquida ....................................................................................................... 116 Tipo de expansión metálica ........................................................................................................... 117 Tipo de expansión bimetálica ........................................................................................................ 117 Tipo termodinámica ....................................................................................................................... 118 Trampas mecánicas ............................................................................................................ 119 Tipo de flotante libre ...................................................................................................................... 119 Tipo de flotador de palanca ........................................................................................................... 120 Tipo de cubeta o balde abierto ...................................................................................................... 120 Tipo de cubeta o balde invertido .................................................................................................... 121 Criterios a tener en cuanta para la selección del tipo de trampa a utilizar ......................... 122 Definición del tipo de aplicación ..................................................................................................... 122 Selección de tipo de purgador ....................................................................................................... 122 Detección y eliminación de posible problemas en el funcionamiento de las trampas .................... 123 5.10.4. Mantenimiento ..................................................................................................................... 125 5.11. RECUPERACIÓN DE CALORES RESIDUALES ....................................................................................... 125 5.11.1. Recuperación de condensado ............................................................................................. 125 5.11.1.1. Recuperación de condensado para alimentar a la caldera ................................................................ 125 5.11.2. Aprovechamiento del vapor (Flash) del condensado .......................................................... 128 5.12. USO DEL VAPOR EN PROCESOS DE LA INDUSTRIA PROCESADORA DE ALIMENTOS ................................ 133 5.12.1. Equipos para evaporar.............................................................................................................. 133 5.12.1.1. Aspectos energéticos de evaporadores de calandria ........................................................................ 133 5.12.1.2. Aspectos energéticos de evaporadores de serpentín ........................................................................ 133 5.12.2. Equipos para elevar la temperatura de la sustancia en proceso ............................................. 134 5.12.3. Equipos para destilación ........................................................................................................... 134 5.13. INSPECCIÓN ENERGÉTICA AL PROCESO DE GENERACIÓN DE VAPOR ....................................................... 134 6. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................................... 137 ANEXOS CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 35 4.0. GESTIÓN EFICIENTE DE LA ELECTRICIDAD 4.1. Motores eléctricos Más del 85% de la electricidad consumida por una industria pasa a través de los motores eléctricos. Los motores eléctricos son los encargados de suministrar la energía necesaria para llevar a cabo diversas actividades de la industria, por lo que la operación y conservación de los mismos es un aspecto importante a tener en consideración para lograr un consumo eficiente de la energía eléctrica. El rendimiento de los motores eléctricos es en general muy elevado. La duración de un motor dependerá del tipo de funcionamiento a que se le someta, horas de trabajo y magnitud de la carga a la que esté expuesto. Sin embargo, los motores constituyen solamente una fase intermedia en la conversión de energía. Cuando éste es utilizado para accionar otro equipo el consumo total de electricidad del sistema puede ser optimizado. La Figura 4.1 muestra un ejemplo. Los motores eléctricos son intrínsecamente muy eficaces y los márgenes para el ahorro en su reemplazo o mejora son bajos comparado con aquéllos equipos que accionan, donde sí pueden obtenerse ahorros muy superiores. Los motores de inducción de caja de ardilla, los más usados en la industria, tienen una eficiencia operacional de 85–95 %, dependiendo de las revoluciones por minuto (rpm), edad, y magnitud de carga. Figura 4.1. Comparación de efectos de la eficiencia en el consumo de electricidad. En el mercado existen motores más eficientes que los motores estándares. Los motores más eficientes consumen 2 % menos de energía eléctrica en los tamaños grandes y hasta 5% menos en los tamaños pequeños. El reemplazo de los motores viejos y los rebobinados por unos de alta eficiencia puede ser ventajoso, especialmente si éstos Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 36 trabajan durante largas jornadas. Sin embargo, no resulta aconsejable reemplazar un motor estándar en buenas condiciones por un motor eficiente nuevo. El margen de ahorro de kW puede ser calculado por la siguiente ecuación: % de ahorro kW = (Nueva eficiencia − Vieja eficiencia ) x 100 Nueva eficiencia (4.1) El ejemplo 4.1 muestra el ahorro en kW que supone la sustitución de motores viejos y rebobinados que poseen una baja eficiencia por otros de mayor o alta eficiencia. Este ejemplo debe culminar con un análisis de factibilidad económica que permita viabilizar la toma de decisiones y la implementación o no, de las opciones que se generen para el ahorro de energía en la empresa. EJEMPLO 4.1 En una producción continua de 1,500 kg/h de pulpa de tomate, se trasiega jugo de tomate hacia los concentradores utilizando una bomba accionada por un viejo motor, rebobinado en varias ocasiones, que tiene una eficiencia de 55 %. La potencia suministrada al motor (N1) es de 0.74 kW. Se pretende sustituir el mismo por un nuevo motor de 90 % de eficiencia: 0.90 − 0.55 x 100 % de ahorro kW = (EC.4.1) 0.90 % de ahorro kW = 38.90 Al sustituir el viejo y rebobinado motor, por otro de 90 % de eficiencia, la potencia suministrada se reducirá en 38.9 % respecto a la potencia suministrada al viejo motor: Potencia suministrada al nuevo motor (N2) = 0.74 kW – (0.74 kW x 0.389) = 0.45 kW kW ahorrados = 0.74 kW – 0.45 kW = 0.29 kW Para 24 h de trabajo 120 días al año se tiene un ahorro de: 24 h 120 días x 0.29 kW x = 835.20 kWh/año año día Debe tenerse en cuenta que, de acuerdo a los costos de la electricidad hoy día, el costo de utilización de un motor es de 8 a 10 veces su costo de inversión. Por lo tanto, es altamente conveniente seleccionar como primera opción los motores de alta eficiencia. Recientes tecnologías que mejoran la eficiencia energética y la operación del motor son: o arranque electrónico suave, para optimizar la irrupción de las corrientes de arranque y aumentar el tiempo de vida útil o conductores de velocidad variable, para perfeccionar las necesidades de energía en casos donde se necesita control capacitivo En la transformación de electricidad en energía mecánica que tiene lugar en los motores eléctricos, una parte de la electricidad tomada se convierte en calor, constituyendo las pérdidas del motor que pueden ser de tres tipos: o Pérdidas eléctricas en devanados y otras partes de la máquina o Pérdidas producidas en circuitos magnéticos, o pérdidas en el hierro o Pérdidas mecánicas debidas a rozamiento o a la ventilación Los rendimientos de los motores eléctricos son en general muy altos, pero con cargas muy pequeñas el rendimiento es muy bajo, predominan entonces las pérdidas constantes Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 37 (mecánicas y de hierro). Crece rápidamente al crecer la carga pasando por un máximo, para luego bajar más lentamente. En motores de alta velocidad y gran potencia, predominan las pérdidas dependientes de la carga. El rendimiento baja rápidamente al bajar la carga del motor por debajo de la nominal. En los motores de mediana y baja potencia y de menos velocidad también predominan las pérdidas dependientes de la carga. El rendimiento, al bajar la carga por debajo de la nominal, se mantiene prácticamente constante e incluso aumenta hacia los ¾ de plena carga, para luego disminuir rápidamente. Los rendimientos de los motores eléctricos crecen al crecer la potencia del motor. El rango de rendimientos es amplio. Van desde rendimientos del orden de 0.60 para motores asincrónicos monofásicos, a rendimientos del orden de 0.96 para grandes motores sincrónicos. 4.1.1. Manejo de velocidad variable Por diseño, los motores de inducción de caja de ardilla operan a velocidad casi constante. Cuando son utilizados en bombas, compresores, ventiladores, bandas transportadoras, extrusores y otros, los motores están sujetos a variaciones de carga y requieren de control capacitivo. Algunas formas tradicionales de control, tales como válvulas, regulación del tiro y desvíos, tienen una pobre eficiencia energética. Para mejorar esta eficiencia, durante las operaciones a velocidades variables existen alternativas las cuales presentan ventajas y desventajas en su aplicación (ver Tabla 4.1). Tabla 4.1. Alternativas de control de velocidad para motores de inducción y corriente alterna Tipo de control de velocidad Ventajas Desventajas variable Métodos de control electromecánicos Polea excéntrica variable Engranes Baja eficiencia, alto costo de Bajo costo mantenimiento. Cadenas Transmisión por fricción Control de velocidad por pasos, Operando a 2 ó 4 menor eficiencia que los motores de Motor de velocidad variable velocidades fijas velocidad fija. Trasmisores con corrientes Eddy, máxima razón de velocidad 10:1 Simple, bajo costo, Baja eficiencia con velocidades Trasmisiones mediante fluidos control de velocidad sin menores del 50%. acoplados, máxima razón de pasos. velocidad 5:11 Métodos de control electrónico en estado sólido Armónico, bajo torque, baja Control de voltaje < 25 kW, Simple, bajo costo eficiencia, rango limitado de 20-100% velocidad. Fuente inversa de voltaje (FIV) < 759 Buena eficiencia, diseño No presenta frenaje regenerativo, kW, 100:1 de circuito simple problemas a baja velocidad (<10%). Fuente inversa de corriente (FIC) < 25 Frenaje regenerativo, Pobre factor de potencia, pobre kW, 100-150 % diseño de circuito simple comportamiento a baja velocidad. Modulación de pulso amplio (MPA) Buen factor de potencia, No presenta frenaje regenerativo, <750 kW, 100:1 baja distorsión poco menos eficiente que el FIV. Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 38 El uso de esta información, conociendo los requerimientos para el uso del motor, permite evaluar la alternativa de control de velocidad con la que se trabaja y modificarla para lograr mayor eficiencia en la operación. 4.1.2. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía 1. Operar el motor con el voltaje correcto y equilibrado, brindando de 3 – 5 % de ahorro y una vida útil más larga. 2. Mantener una apropiada lubricación, para mantener la eficiencia y reducir el deterioro. 3. Mantener una apropiada ventilación y evacuación del calor, para reducir el deterioro y aumentar su periodo de vida útil. 4. Corregir el factor de potencia, especialmente en casos donde los HP están por encima de 50 y donde los periodos de utilización sean largos. 5. Chequear regularmente la carga del motor (amperios) para supervisar las variaciones. 6. Estudiar la posibilidad de cambiar los motores antiguos por motores de nueva generación. 7. Evitar fugas, puntos calientes en los conductores y uniones. 8. Revisar con periodicidad rodamientos y ventiladores. 9. Evaluar la eficiencia de motores rebobinados, ya que al rebobinarlos se puede perder eficiencia. 10. Revisar los amperajes de las líneas y velar porque estén dentro de los estándares. 11. Monitorear el factor de potencia de los equipos y de la empresa y mantenerlo dentro de los límites. 12. Seleccionar el tamaño del motor de acuerdo a la carga. 13. Utilizar motores de inducción trifásicos en lugar de monofásicos. 14. Utilizar motores sincrónicos en lugar de motores de inducción. 15. Revisar con frecuencia el aislamiento del devanado del motor y la resistencia del mismo. 16. Realizar el arranque de los motores de forma secuencial y planificada para reducir la demanda de energía. 17. Utilizar la velocidad más alta posible del motor. 18. Utilizar un motor de alta eficiencia en vez de un motor de inducción estándar cuando se requiere que este produzca un torque relativo constante y continuo si el ciclo es alto. 19. Apagar los motores cuando no estén en uso. En algunos casos utilice controles automáticos. 20. Usar motores de velocidad variable si el proceso requiere variar las cantidades de aire, líquido, etc., en vez de adoptar controles por estrangulación. 21. Utilizar unidades de variación de frecuencia en lugar de motores de anillo donde es requerida una variación de flujo. 22. Utilizar motores de amplitud modulada para aplicaciones de dos velocidades, los cuales son más económicos que los motores de velocidad variable. 23. No utilizar correas flojas o excesivamente apretadas. 24. Adoptar prácticas de mantenimiento apropiadas para prevenir pérdidas por fricción tales como desalineación del equipo, congelamiento excesivo y resistencia de la correa. 25. Utilizar equipos de alta eficiencia (bombas, ventiladores, compresores, etc.) para mejorar la eficiencia del sistema. Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 39 26. Seleccionar el tamaño del motor de acuerdo a la carga y a su ciclo de trabajo. Operar un motor para servicio continuo, en accionamientos de operación intermitente, con frecuentes arranques y paradas, ocasiona una depreciación de sus características de operación y eficiencia. Además de que puede dañar el aislamiento de los devanados por la elevación de la temperatura. 27. No operar los motores a frecuencias nominales distintas a las indicadas por el fabricante. 28. Determinar si el equipo está generando vibraciones o ruidos excesivos; busque suciedad en el motor que pueda causar un mal funcionamiento, aumentar la fricción o dañar el motor. 4.2. Sistemas de trasiego. Bombas En la mayoría de los procesos de la industria alimentaria está involucrado el transporte de fluidos de un lugar a otro. Para lograr este trabajo es indispensable la utilización de bombas, máquina hidráulica que transforma la energía mecánica de un motor en energía de un fluido para producir su desplazamiento de una posición a otra, incluyendo cambios de elevación, con aumento de la presión. Las bombas son solo un componente de los sistemas de trasiego, el cual también incluye motores, tuberías de succión y descarga y elementos de control como válvulas, manómetros, etc. Típicamente, menos de la mitad de la electricidad que entra a un sistema de bombeo es convertida en desplazamiento útil del fluido. El resto es disipado en los varios componentes que constituyen el sistema. Las pérdidas de energía son aún mayores si el sistema no opera bajo las condiciones de diseño. Existe por consiguiente un considerable potencial de ahorro de electricidad mejorando la eficiencia de sus componentes y mediante mejores diseños de los sistemas. Existen varios tipos de bombas. Las categorías más importantes son las de tipo centrífugo y las de desplazamiento positivo: Bombas volumétricas o de desplazamiento positivo Las bombas volumétricas o de desplazamiento positivo son aquellas en que la presión se comunica al fluido mediante la compresión del mismo en una cámara cerrada, por medio de un cuerpo que se mueve de modo alternativo o giratorio, y su posterior expulsión. Este tipo de bombas son comúnmente utilizadas en la industria alimentaria para el trasiego de líquidos viscosos (siropes concentrados, crema y mermelada de frutas, productos lácteos concentrados o fermentados, etc.), líquidos agresivos o corrosivos (vinazas generadas en el proceso de obtención de aguardiente para ron, vinagre, etc.) y entre ellas están las reciprocantes (ver Figura 4.2) (de émbolo o émbolo buzo) y las rotatorias (ver Figura 4.3) (de engranajes, de husillo o tornillos y de paletas). Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 40 Figura 4.2. Esquema de una bomba reciprocante de émbolo de simple efecto. 1émbolo, 2- cilindro, 3- tapa del cilindro, 4- válvula de aspiración, 5- válvula de impulsión, 6- mecanismo de biela y manivela, 7- aros de empaquetadura. La adecuada selección de la bomba, en cuanto a su diseño, dimensiones y operación, constituye un elemento esencial para minimizar los costos en el consumo de energía. Las bombas reciprocantes se usan para bombear líquidos en pequeños caudales y altas presiones (Q<40 L / min, ΔP~ 50 – 350 atm y mayores). Los líquidos impulsados pueden ser muy viscosos. Un tipo especial de bomba reciprocante es la de diafragma, que se usa para líquidos agresivos o corrosivos. En las bombas rotatorias de engranes el rango de aplicación es de Q < 5 – 6 m3/min y ΔP< 100 – 150 atm. Pueden manejar líquidos muy viscosos pero, el líquido manejado debe ser limpio. Cuando se deben manejar líquidos sucios, agresivos o muy viscosos se prefieren las bombas de husillo o tornillo. Figura 4.3. Esquema de varios tipos de bombas rotatorias. En las bombas de tornillo único se logran presiones de 10 – 25 atm y caudales de hasta 7 m3/h, en la de varios tornillos, se pueden manejar caudales de hasta 300 m3/h y las Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 41 bombas rotatorias de paleta se usan para el bombeo de líquidos limpios, donde se obtienen caudales y presiones moderadas. La relación entre la carga y la capacidad de una bomba reciprocante es teóricamente, una línea vertical, ya que el caudal debe ser una magnitud constante y no depende de la carga. Sin embargo, a causa del aumento de las fugas de líquidos a través de las holguras, que crecen al aumentar la presión, la capacidad real disminuye y el comportamiento se desvía de la teoría. Las pérdidas que ocurren se toman en cuenta por medio de la eficiencia volumétrica (ξv). Para bombas grandes la eficiencia volumétrica es de aproximadamente 98 %, para bombas con caudal de 20 – 300 m3/h, ξv = 90 – 95 % y para bombas pequeñas de 85 – 90 %. Por la sensibilidad de las bombas reciprocantes a las condiciones de presión en la succión, durante su instalación, se trata de garantizar que la perdida total de carga sea lo menor posible. Para ello, además de construir la línea de succión con tuberías de mayor diámetro que la descarga, el trazado de la misma se realiza con un mínimo de codos, válvulas u otros accesorios que pudieran aumentar la resistencia hidráulica. Bombas centrífugas Las bombas centrífugas son las de mayor uso en la industria. En este tipo de bombas la aspiración e impulsión de fluido se produce, uniformemente, en virtud de las fuerzas centrífugas que surgen de la rotación del impelente de álabes encerrados en el cuerpo de la bomba. Estas bombas, de acuerdo con la forma del impelente, pueden bombear líquidos limpios o líquidos sucios y suspensiones y son muy versátiles. La Figura 4.4, muestra de manera general el esquema de una bomba centrífuga. Figura 4.4. Esquema del cuerpo o voluta de una bomba centrífuga. La curva característica de una bomba centrífuga se muestra en la Figura 4.5. Estas curvas de rendimiento son suministradas por el fabricante y son, en general, válidas para fluidos de baja viscosidad, a menos que se especifique lo contrario. En ese rango, la carga y la eficiencia no dependen de las propiedades del fluido; sin embargo, la potencia consumida por la bomba depende de la densidad del fluido. En estas curvas se acostumbra a señalar el punto de máxima eficiencia. En proyectos de sistemas de bombeo se trata de que trabajen en lo posible, cerca de este punto, que representa el máximo aprovechamiento de la energía consumida por la bomba. Estas curvas son excelentes herramientas para revisar frecuentemente los sistemas de bombeo. La eficiencia del sistema puede calcularse según la siguiente ecuación: Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 42 ε S = ε B xε M = Donde: ρ x g xH xQ N '' = Energía consumida por el fluído Potencia suministrada al motor (4.2) N’’: Potencia suministrada al motor (W) = (potencia eléctrica)*(eficiencia eléctrica del motor) = (voltaje)*(amperaje)*(1.73)*(eficiencia eléctrica), esta ecuación es válida para motores trifásicos Q: Caudal del líquido (m3/s) H: Carga (m) ρ:Densidad del líquido (kg/m3) g: Aceleración de la gravedad (9.81 m/s2) ξS : Eficiencia del sistema motor-bomba ξM : Eficiencia del motor ξB : Eficiencia de la bomba Figura 4.5. Curva característica de una bomba centrífuga. La relación entre carga, capacidad y potencia es dada por las siguientes ecuaciones: Potencia requerida por el líquido: kWL = Potencia absorbida en el eje de la bomba: kWB = Potencia requerida del motor: kWM = Donde: H xQ 360 kWL (4.3) kWB (4.5) ηB ηM (4.4) H: Carga de la bomba (m) Q: Flujo (m3/h) ŋB: Eficiencia de la bomba (%) ŋM: Eficiencia del motor (%) Un sobredimensionamiento del flujo durante la selección inicial puede cambiar el punto de eficiencia hacia una menor eficiencia operacional, requiriéndose de un estrangulamiento en la descarga para obtener una reducción del flujo hasta las condiciones deseadas. Bajo estas condiciones de operación, se consume una energía extra a la que realmente Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 43 necesitaría el sistema si operase con una bomba adecuadamente dimensionada para el flujo y carga requeridos por el sistema, incrementando los costos de electricidad. El siguiente ejemplo muestra la importancia de realizar una adecuada selección del equipo impulsor. EJEMPLO 4.2 En una planta de elaboración de leche fluida saborizada se necesita bombear 18 m3/h de agua caliente para el proceso de pasteurización. Se dispone de una bomba que impulsa 30 m3/h en el punto de máxima eficiencia (60 %). La eficiencia del motor es 85 %. El caudal deseado se obtiene mediante estrangulamiento a través de una válvula instalada en el sistema. La curva de la bomba, así como la curva del sistema se muestran en la figura. Para Q = 8.33x10‐3 m3/s = 30 m3/h, punto de máxima eficiencia, curva del sistema 2: Potencia consumida por el líquido (NL): 8.33x10‐3 x 28.50 x 9.81 x 965.3 = 2,249.03 W Potencia requerida por la bomba (NB): 2,249.03 / 0.60 = 3,748.38 W Eficiencia del sistema: 0.60 x 0.85 = 0.51 Potencia suministrada al motor (NM): 2,249.03 / 0.51 = 4,409.86 W Para Q = 5x10‐3 m3/s = 18 m3/h, curva del sistema 1: Potencia consumida por el líquido (NL’): 5x10‐3 x 34.50 x 9.81 x 965.30 (NL’) = 1,633.50 W Potencia requerida por la bomba (NB’): 1,633.50 / 0.40 (NB’) = 4,083.75 W Eficiencia del sistema: 0.40 x 0.85 = 0.34 Potencia suministrada al motor (NM’): 1,633.5 / 0.34 = 4,804.4 W Al trabajar el sistema con una bomba sobredimensionada y controlar el caudal mediante una válvula, la curva del sistema se desplaza hacia una menor eficiencia del equipo impulsor, disminuyendo también la eficiencia del sistema motor‐bomba que en este caso se redujo de 0.51 hasta 0.34. Por otra parte la bomba requerirá energía extra y por consiguiente aumentará la energía suministrada al motor. Energía extra requerida por la bomba: 4,083.75 – 3,748.38 = 335.37 W = 0.34 kW Para 3 600 h de trabajo al año esta energía extra requerida por la bomba representa: h = 1,224 kWh/año 0.34 kW x 3 ,600 año 4.2.1. Principios de proporcionalidad o leyes de afinidad Las siguientes expresiones, permiten estimar el comportamiento cuantitativo de las bombas cuando se les varía la velocidad de rotación, caudal, potencia o diámetro del impelente y para construir las llamadas curvas características universales, válidas para una serie de bombas centrífugas, geométricamente semejantes o para la misma bomba funcionando a varias velocidades. El resultado de la aplicación de estos principios Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 44 constituye una herramienta para predecir el comportamiento y revisar los sistemas de bombeo rutinariamente. Cuando el diámetro del impelente es constante: Q1 Q2 = rpm 1 rpm 2 H 1 (rpm1 ) = H 2 (rpm 2 )2 2 (4.6) N 1 (rpm1 ) = N 2 (rpm 2 )3 (4.8) N 1 (D1 ) = N 2 (D2 )3 (4.11) 3 (4.7) Cuando la velocidad del impelente es constante: Q1 Q2 = D1 D2 Donde: H 1 (D1 ) = H 2 ( D 2 )2 2 (4.9) . 3 (4.10) Q: Flujo de descarga H: Carga rpm: Velocidad N: Potencia D: Diámetro del impelente El Ejemplo 4.3 presenta el uso de las leyes de afinidad para predecir el comportamiento del sistema al modificar los parámetros de operación. EJEMPLO 4.3 Para la preparación del refresco de naranja se requiere bombear 7.20 m3/h de agua que son impulsados mediante una bomba centrífuga que funciona a 1,200 rpm y potencia de 5.20 kW. Se necesita además, entre otras materias primas, sirope simple; el cual es obtenido mediante evaporación y posteriormente enfriado haciendo trasegar 3.60 m3/h de agua a 28 oC por un intercambiador a placas. Para llevar a cabo esta operación se dispone de una bomba geométricamente semejante a la utilizada en el bombeo de agua para la preparación de refresco. 3.60 x 1,200 = 600 rpm rpm2 = 7.20 5.20 x (600) 3 N2 = (1,200)3 = 0,65 kW Aplicando las leyes de afinidad se pudo predecir y conocer que la bomba deberá trabajar a 600 rpm y la potencia requerida por la misma será de 0.65 kW. Estos valores podemos compararlos con los valores de otras bombas que tengamos disponibles y decidirnos a utilizar la que reporte un menor consumo energético. 4.2.2. Estrategias para el control del flujo Los requisitos de flujo variable pueden ser logrados con opciones convencionales y de bajo costo, tales como el llamado “by pass” o mediante control por estrangulamiento, pero ambos métodos resultan altamente ineficientes desde el punto de vista energético. En ocasiones se desea un cambio permanente en la cantidad de fluido que va a ser bombeado, o se requiere de un cambio en la carga de la bomba centrífuga. Esto puede ser alcanzado económicamente desbastando el impelente o reemplazándolo con un impelente de tamaño reducido o por último cambiando totalmente la bomba. Una operación económica de flujos variables también puede ser lograda con el uso de varias bombas que operan o no mediante interruptores según las necesidades. Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 45 La manera más eficiente de tratar con los flujos variables es mediante un control de velocidad variable. Esto asegura que la bomba opere siempre en el punto de mayor eficiencia, eliminando la necesidad de estrangulación. La virtud de este método es que reduce el consume energético del sistema en vez de botar el exceso. 4.2.3. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía 1. Mantener calibrados y verificados los instrumentos de medición instalados en el sistema de bombeo. 2. Mantener en buen estado los sellos y rodamientos de las bombas. 3. Revisar la energía perdida en los elementos de regulación y estudie la posibilidad de que se trabaje con control electrónico de velocidad en los motores. 4. Determinar con regularidad la eficiencia 5. Revisar las velocidades de transporte y evitar trabajar con altas pérdidas de fricción. 6. Estudiar el uso del control automático como alternativa al control manual. 7. Contar con diagramas de los sistemas de bombeo y con una tabla de los puntos de diseño y funcionamiento esperados. 8. Instalar o construir la línea de succión de una bomba reciprocante con tuberías de mayor diámetro que la descarga para reducir la pérdida total de carga. 9. Utilizar un mínimo de codos, válvulas u otros accesorios en la línea de succión y descarga de bombas para disminuir la resistencia hidráulica y reducir la pérdida total de carga. 10. Realizar una correcta selección y diseño del sistema de bombeo. 11. Hacer uso de los principios de proporcionalidad para predecir el comportamiento y revisar rutinariamente el sistema de bombeo. 12. Utilizar estrategias económicas, desde el punto de vista energético, para el control del flujo variable. 13. Revisar periódicamente el filtro de la bomba, si este está obstruido aumentará la resistencia al paso del fluido y aumentará el consumo total de electricidad del sistema. 14. Tener en cuenta que la potencia nominal del motor debe ser igual a la requerida por la bomba para trabajar a la máxima eficiencia. 15. Colocar el motor perfectamente alineado con la bomba y montado sobre una superficie que reduzca las vibraciones. 4.3. Sistemas de ventiladores y sopladores Los ventiladores y sopladores son utilizados para trabajos de ventilación, tales como, sistemas de aire acondicionado. Los sopladores también son utilizados para suministrar el tiro de aire requerido para la combustión en quemadores y calderas con el objetivo de producir vapor, facilidad auxiliar en procesos de la industria. Por otra parte, los ventiladores son utilizados para mover grandes volúmenes de aire o gas a través de conductos, suministrar aire a procesos de secado, tales como la obtención de aromas en polvo, deshidratación de frutas, etc. Son utilizados también, para transportar material suspendido en una corriente de gas, un ejemplo es el proceso de obtención de harinas a partir de cereales, en el cual, el transporte a cada etapa del proceso se lleva a cabo a través de conductos, donde productos y subproductos están suspendidos en la corriente de aire. Ambos equipos se distinguen por el método que emplean para mover el aire y por la presión a la cual lo entregan. Generalmente, la presión (manométrica) de entrega de los Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 46 ventiladores es menor que 0.04 kg/cm2 y de los sopladores mayores que 0.04 kg/cm2 pero menores de 0.11 kgf/cm2. Estos equipos pueden ser del tipo: flujo axial o centrífugo; los ventiladores de flujo axial están diseñados para manejar grandes flujos a bajas presiones y el aire o gases entran y salen con dirección axial (Figura 4.6 c), mientras que en los sopladores centrífugos el aire o gases entran con dirección axial y la descarga se realiza con dirección radial. Este tipo de sopladores tienen tres tipos de impelente, curvo hacia atrás (Figura 4.6 a), curvo hacia adelante (Figura 4.6 b) y axial de dos etapas. La selección de los ventiladores y sopladores depende del flujo de aire, la presión de descarga, el tipo de material que se manejará, de las limitaciones espaciales y de la eficiencia. Las eficiencias difieren de diseño a diseño y también con el tipo de equipo, sin embargo, en la eficiencia del sistema influyen además la correcta selección y uso adecuado de los mismos. La Tabla 4.2 muestra algunas de las múltiples aplicaciones de tipos específicos de equipos empleados en la industria procesadora de alimentos. Figura 4.6. Tipos de sopladores centrífugos, ventiladores y sus componentes. Tabla 4.2. Aplicación de diferentes tipos de ventiladores y sopladores Aplicación Sistema de transporte de material con alta relación aire/material y material granular fino. Sistema de transporte de material con baja relación aire/material propenso a tupir el sistema de distribución Suministro de aire para combustión Calderas de tiro forzado Calderas de tiro inducido Extracción de gases de un horno Suministro de aire a un horno Procesos de secado Sistemas de aireación y agitación Sistemas de corte de aire, limpieza de aire de suministro y sistema de limpieza al vacío Tipo de ventilador o soplador Ventiladores radiales, inclinados hacia atrás Sopladores centrífugos Sopladores de desplazamiento positivo Todo tipo de ventiladores Lámina de aire, inclinado hacia atrás, ventilador de aspas axiales Ventiladores radiales, curvos hacia delante Ventilador radial Lámina de aire, inclinado hacia atrás, ventilador de aspas axiales Lámina de aire, inclinado hacia atrás, ventilador de aspas axiales y de tubo, y sopladores centrífugos Sopladores centrífugos y de desplazamiento positivo Sopladores centrífugos Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 47 La potencia necesaria para hacer funcionar un ventilador puede calcularse con la siguiente ecuación. Potencia ( kW ) = 2.72 x10 −5 x Q x P Donde: (4.12) Q: Flujo de aire o gas (m3/h) P: Presión total de la descarga (cm de agua). La presión total de la descarga es la suma de la presión estática y la carga de velocidad. La eficiencia con la que operan estos equipos puede determinarse de las medidas de potencia a la entrada del motor, las cargas en varios lugares del sistema y del flujo de gas o aire que manejan. Esta puede calcularse de la siguiente forma: Eficiencia = N aire N aire x 100 ηm x N motor ⎛ P ⎞ ⎛⎜ 100 Qaire x ⎜ ⎟x ⎝ 1000 ⎠ ⎜⎝ ρ aire = 1000 Donde: ⎞ ⎟⎟ x g ⎠ (4.13) (4.14) ηm: Eficiencia del motor (0.85 para motores de pequeña potencia, 0.90 para motores de alta potencia y 0.95 para motores de alta eficiencia) Nmotor : Potencia de corriente alterna en las terminales del motor (kW) Naire: Energía que contiene el flujo de aire (kW) Qaire: Flujo de aire (kg/s) P: Presión del aire (mm de agua) ρaire: Densidad del aire a la temperatura determinada (kg/m3) g: Aceleración de la gravedad (9.81 m/s2) 4.3.1. Comportamiento operacional de los ventiladores El comportamiento de los ventiladores centrífugos varía al cambiar condiciones de operación, tales como, temperatura, velocidad y densidad del gas que esté siendo manipulado. Es importante tener esto en cuenta al hacer uso de la información reportada por los fabricantes de equipos, ya que los datos están basados en condiciones estándar de estado. No obstante, pueden realizarse correcciones para variaciones de esos estándares. Las variaciones más usuales son las siguientes: Nota 1.1: La condición establecida como 1 en las anteriores ecuaciones está referida a los valores de partida y la condición 2 a los nuevos valores que quiero obtener. Nota 1.2: Es común utilizar pie3/min para expresar el flujo y pulgadas de agua para expresar la presión. Cuando varía la velocidad: La capacidad varía de forma directamente proporcional con la razón de velocidad Q 2 = Q1 rpm 2 rpm1 (4.15) Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 48 Donde: Q: Flujo rpm: Velocidad La presión varía proporcionalmente de manera directa con el cuadrado de la razón de velocidad P2 ⎡ rpm2 ⎤ =⎢ ⎥ P1 ⎣ rpm1 ⎦ Donde: 2 (4.16) P: Presión de descarga rpm: Velocidad La potencia varía proporcionalmente de manera directa con la razón de velocidad al cubo N 2 ⎡ rpm2 ⎤ =⎢ ⎥ N1 ⎣ rpm1 ⎦ Donde: 3 (4.17) N: potencia rpm: velocidad Cuando varía la temperatura: La potencia y la presión varían de forma inversamente proporcional con la temperatura absoluta T T (4.18) (4.19) N 2 = N1 1 P2 = P1 1 T2 T2 Donde: T: Temperatura absoluta N: Potencia P: Presión La velocidad y el flujo se mantienen constantes Cuando la densidad varía: La potencia y la presión varían de forma directamente proporcional con la densidad N2 ρ2 P2 ρ 2 (4.20) (4.21) = = ρ1 N1 ρ1 P1 Donde: N: Potencia P: Presión ρ: Densidad La velocidad y el flujo se mantienen constantes 4.3.2. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía 1. Llevar a cabo una adecuada selección del equipo de acuerdo a su aplicación teniendo en cuenta los factores de eficiencia y costo. 2. Determinar y monitorear la eficiencia con que opera el equipo y el sistema. 3. Cuando la eficiencia del equipo es baja debido a un desajuste entre la propela y el resto del sistema (sobrediseño) considerar las siguientes acciones: 4. Reducir la velocidad del ventilador (mediante poleas o con un variac). Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 49 5. Reemplazo del impelente por uno más pequeño de la misma serie. Los constructores usualmente entregan más de un impelente para la misma carcaza, permitiendo así el cambio de presión o de flujo. 6. Reducir del diámetro del impelente cortándolo. 7. Cuando la eficiencia de diseño es baja, considerar el recambio del ventilador por otro de diseño más eficiente o mejorar esta, cambiando el diseño de su impelente o propela. 8. Ajustar los ductos o conductos, a fin de evitar pérdidas o ingreso de aire al sistema, reduciendo las pérdidas de energía del sistema y mejorar la eficiencia del mismo. 9. Localizar y eliminar todas las fugas. Aún pequeñas fugas pueden representar una pérdida constante de energía y de la eficiencia global del sistema. 10. Examinar la posibilidad de reducir las pérdidas de presión en los codos y dobleces de los conductos, en los cambios de áreas seccionales, en las juntas y en otros tipos de ranuras y realizar un rediseño de los mismos. 11. Utilizar para controlar el flujo que entrega un ventilador otros métodos en vez de los dampers: 12. Guías internas 13. Sistemas de control de velocidad variable. 14. Controles de rotor de resistencia con líquidos. 15. Los dampers regulan el flujo ofreciendo una resistencia mecánica al mismo, por ello consumen una gran cantidad de energía en forma de caída de presión a través de él. 4.4. Sistemas de aire comprimido El aire comprimido se usa en casi todas las industrias de las diferentes ramas del sector alimentario y forma parte considerable de la electricidad que se consume en alguna de ellas. Se usa para una gran variedad de actividades, para el accionamiento de equipos, la instrumentación, operaciones de limpieza, como medio de transportación, etc. El compresor es el principal componente del sistema de aire comprimido, por consiguiente debe seleccionarse cuidadosamente. Los compresores normalmente usados en la industria son los reciprocantes y los de tornillo. También se usan los centrífugos cuando se requieren volúmenes muy grandes. Como política general, el aire comprimido debe usarse sólo si existe una mejora de seguridad, la ganancia en productividad es significativa o resulta en una reducción apreciable del trabajo a realizar. Lamentablemente, ante alternativas más económicas, el aire comprimido es preferido en la industria por su limpieza, fácil disposición y seguridad. Este probablemente es el producto energéticamente más caro de los que se dispone en una planta, pues la eficiencia global típica de este sistema está alrededor de sólo el 10 por ciento. Conocer la capacidad real de los compresores que componen el sistema permite operar mejor el mismo y su monitoreo brinda la posibilidad de conocer la eficiencia en el funcionamiento del equipo y la ejecución de acciones que pueden llegar hasta la sustitución del compresor. En la Figura 4.7 se muestra una propuesta de hoja de trabajo y el procedimiento para determinar la capacidad real de un compresor. Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 50 Parámetros U/M 1 2 3 4 Volumen del tanque receptor más el volumen de tubería entre el 3 m receptor y el compresor Temperatura en el tanque receptor °C Presión inicial del tanque receptor (P1) kg/cm2.a Presión final del tanque receptor (P2) kg/cm2.a Tiempo tomado para llenar el tanque receptor de P1 a P2 (t) min Presión atmosférica (Po) kg/cm2.a Capacidad del compresor de aire (Q) Nm3/min Procedimiento: Aislar del resto del sistema el compresor al cual se le realizará el test de capacidad. 1) Apagar el motor del compresor. 2) Vaciar el tanque receptor conectado al compresor. 3) Reiniciar el motor. 4) La presión en el tanque receptor comienza a subir. Anotar el valor de la presión inicial, dígase 2 kg/cm2, y a partir de este momento accione el cronómetro. 5) Detener el cronómetro cuando la presión en el tanque receptor ha subido hasta la presión final, dígase 9 kg/cm2. 6) Anotar el tiempo transcurrido para llegar desde P1 hasta P2. 7) La capacidad del compresor se evalúa como: ⎛ P2 − P1 ⎝ Po (Nm3/min) = ⎜⎜ ⎞ ⎛ V R ⎞ ⎛ 273 ⎞ ⎟⎟ × ⎜ ⎟ × ⎜ ⎟ ⎠ ⎝ t ⎠ ⎝ 273 + T ⎠ (4.22) Nota: kg/cm2.a ---- Presión absoluta Figura 4.7. Hoja de trabajo y procedimiento para determinar la carga real de un compresor. 4.4.1. Aspectos que tienen repercusión en la mejora de la eficiencia energética de un sistema de aire comprimido Caída de presión Un sistema adecuadamente diseñado debe tener una pérdida de presión menor del 10 % de la presión de descarga del compresor, medida entre la salida del tanque del compresor y el punto de uso. Una caída de presión excesiva resulta en un pobre comportamiento del sistema y un consumo excesivo de energía. Fugas Como ilustra la Tabla 4.3, los las fugas pueden ser una fuente significativa de pérdidas en el sistema de aire comprimido, significando a veces entre el 25 y el 50 % del rendimiento de un compresor. Tabla 4.3. Pérdidas de energía por fugas Diámetro del orificio (mm) 1.59 3.18 6.35 Energía perdida (MWh/año) 10.46 41.9 167.64 Las fugas, además de constituir una fuente de pérdidas de energía, pueden también contribuir a otras pérdidas operacionales. La caída de presión del sistema debido a estas, puede causar que equipos y accesorios neumáticos funcionen menos eficientemente, afectando desfavorablemente la producción. Por otra parte, las fugas reducen los ciclos Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 51 de descarga del compresor obligándolo a trabajar más frecuentemente y acortando la vida útil del compresor y demás equipos y accesorios que componen el sistema. El incremento del tiempo de trabajo de los equipos y accesorios del sistema también conlleva a mantenimientos adicionales y a un aumento de los tiempos de fuera de servicio no programados. Para compresores que usan controles de inicio/parada, existe un modo sencillo para estimar la cantidad de fugas en el sistema. La propuesta de una hoja de trabajo y el procedimiento para determinar el total de fugas en porciento y en Nm3/min se muestra en la Figura 4.8. Este procedimiento debe realizarse cuando los consumidores de aire comprimido no estén trabajando y resultaría ventajoso, si es posible y las condiciones del sistema lo permite, separar el sistema por secciones para poder interpretar los resultados con mayor claridad. Sección de la fábrica donde se realizará la prueba: Compresor utilizado para realizar la prueba: Parámetros Usuarios de aire comprimido UM u Ciclos de carga y descarga ----- Tiempo de carga (t1) seg. Tiempo de descarga ( t2) seg. Capacidad del compresor Nm3/min ⎛ ⎞ t1 ×100⎟⎟ ⎝ (t1 + t 2 ) ⎠ Fugas (EC.4.23) ⎜⎜ 1 2 3 4 5 6 1 2 % Fugas (EC. 4.24) Fugas % x (Capacidad del compresor ) 100 Nm3/min Procedimiento 1) Realizar la prueba de fugas cuando los consumidores de aire comprimido no estén trabajando. Sería ventajoso si se separa el sistema por secciones. 2) Encender un compresor determinado para llenar la red del sistema del aire comprimido. 3) El compresor de aire dejará de suministrar aire en el momento que la presión del sistema alcance la presión establecida (set point), dígase 8 kg/cm2. g. 4) Si el sistema no tiene pérdidas, el compresor se mantendrá sin suministrar aire de manera indefinida. 5) Sin embargo, si existen fugas en el sistema, la presión en el tanque receptor comenzará a decaer gradualmente hasta el más bajo punto de presión establecido, al llegar a este punto el compresor carga nuevamente y comienza a generar aire comprimido. 6) Medir los tiempos de carga y descarga durante un periodo de 5 – 6 ciclos. 7) Promediar los tiempos de carga y descarga y sustituir los valores promedios en la ecuación (EC. 4.23) para determinar el % de fugas. 8) Determinar la cantidad de fugas sustituyendo el resultado de la EC.4.23 en la EC.4.24. Nota: kg/cm2. g Æ (g - Presión manométrica ) Figura 4.8. Hoja de trabajo y procedimiento para realizar una prueba de fugas en el sistema de aire comprimido. Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 52 Esta prueba debe llevarse a cabo con una frecuencia trimestral y una vez detectada y reparada la fuga el sistema debe ser re-evaluado nuevamente. Y debe formar parte de un programa de prevención de fugas el cual debe ser parte de un programa global enfocado a mejorar la eficiencia del sistema de aire comprimido. Criterios de comparación se muestran a continuación: o o El porcentaje de pérdidas por fugas debe ser menor que el 10 % en un sistema bien mantenido Sistemas pobremente mantenidos pueden tener pérdidas tan altas como un 20 – 30 % de capacidad de aire. Racionalización del uso de aire comprimido La necesidad de aire comprimido debe ser analizada en cada punto de uso con vistas a racionalizar su uso, por ser este un sistema energéticamente ineficiente. En algunos casos donde el volumen de aire es más importante que la presión debe valorarse como alternativa el uso de sopladores. Por otra parte, la práctica de usar aire comprimido en actividades de limpieza debe ser evitada, pero de no ser posible deben instalarse pistolas dosificadoras de aire en el extremo de las mangueras destinadas a la limpieza que permitan optimizar el flujo de aire utilizado. Recuperación del calor Tanto como el 80 – 93 % de la energía eléctrica usada por un compresor de aire industrial es convertido en calor. En muchos casos, una unidad de recuperación de calor propiamente diseñada puede recuperar un alto porciento de esta energía térmica disponible. Una característica de la industria alimentaria es el uso de energía térmica en muchos de sus procesos. Algunos usos típicos para la recuperación del calor incluye el calentamiento de agua, el calentamiento de fluidos como parte del proceso de elaboración del producto, el precalentamiento de aire para operaciones de secado y/o procesos de combustión en generadores de vapor, etc. Uso de múltiples compresores Mediante el uso de múltiples compresores puede lograrse un apreciable ahorro de energía cuando la demanda de un sistema de aire comprimido es variable y exhibe periodos de picos y de baja demanda. El uso de un solo compresor para asumir la demanda máxima aumentaría la duración del ciclo de generación de aire comprimido. Por tanto, el uso de un número de compresores en funcionamiento automático se ajusta a la demanda de aire, evitando largos periodos de carga de aire del compresor principal. Reemplazo o reducción de flujo de un compresor El consumo extra de potencia durante la carga de un compresor sobredimensionado puede ser reducido mediante el reemplazo del compresor o por reducción del flujo, lo que puede ser logrado trabajando el compresor al nivel más bajo de velocidad. 4.4.2. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía 1. Realizar la prueba de capacidad real de un compresor al menos dos veces al año. 2. Trabajar el sistema con una pérdida de presión menor del 10 % de la presión de descarga del compresor, medida entre la salida del tanque del compresor y el punto de uso. Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 53 3. Elaborar y chequear un programa enfocado a la mejora de la eficiencia del sistema de aire comprimido en el cual deben estar incluidos: 4. Un programa de prevención de fugas 5. Un programa de mantenimiento preventivo 6. Realizar la prueba de fugas con una frecuencia establecida (preferiblemente trimestral). 7. Evitar el uso de aire comprimido en operaciones de limpieza y de no ser posible instale en el extremo de las mangueras pistolas dosificadoras. 8. Diseñar y seleccionar adecuadamente los equipos y accesorios de acuerdo a los requisitos del sistema. 9. Recuperar siempre que sea posible el calor generado por el compresor durante la compresión para su uso en el calentamiento de agua, aire u otros fluidos dentro del proceso de producción. 10. Operar los compresores en niveles óptimos de carga. 11. Use múltiples compresores acoplados automáticamente a un compresor principal cuando la demanda de aire es variable y exhibe periodos de pico y baja demanda. 12. Asegurar que el aire de entrada al compresor esté frío. Por cada 10 oC de aumento en la temperatura del aire de entrada, el consumo de potencia aumenta en un 3 %. 13. Mantener una presión del aire adecuada en cada usuario del sistema. 14. Mantener las válvulas del compresor en buen estado removiendo e inspeccionándolas regularmente. Las válvulas gastadas pueden reducir la eficiencia del compresor en un 50 %. 15. Limpiar regularmente los filtros internos del sistema. La eficiencia del compresor se reducirá en 2 % por cada 25 mbar que se reduzca la presión a través del filtro. 16. Monitorear la caída de presión en el filtro y utilizar los resultados para determinar un posible reemplazo. 17. Si más de un compresor suministra aire a una misma sección, estos deben ser operados de forma tal que uno o más compresores operen al máximo mientras solamente un compresor pequeño maneje la variación de carga. 18. Considerar el uso de un compresor de dos o más cámaras que consume menos energía que un compresor de una sola cámara. 19. No operar equipos neumáticos por encima de la presión de operación recomendada, esta situación conlleva a un uso extra de energía. 20. Instalar válvula solenoide de cierre en el sistema para que el suministro de aire a un equipo se detenga cuando este no se está utilizando. 21. Tener como prioridad el uso de instrumentación electrónica a la instrumentación neumática. El ahorro de energía se verá reflejado en el hecho de evitar o reducir el consumo de aire comprimido. 4.5. Refrigeración y aire acondicionado La refrigeración es aplicada con gran extensión en la industria alimentaria. La conservación y transportación de alimentos, la producción de bebidas, la elaboración de helados, la fabricación de chocolate, la producción de hielo, etc. requieren en algunos de sus procesos conseguir una temperatura más baja que la del medio ambiente inmediato por lo perecedero de sus productos y por nuestras condiciones climáticas. La refrigeración es también utilizada para el acondicionamiento de aire, ya que la preparación de alimentos exige una amplia variedad de atmósferas controladas. La preparación del pan y Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 54 la cerveza, la fabricación de chocolate y la preparación de productos alimenticios y farmacéuticos requieren ciertas condiciones óptimas de humedad y temperatura. El refrigerante constituye la sustancia de trabajo que se debe vaporizar a bajas temperaturas y licuarse al ceder calor a las altas temperatura. En la práctica, se utilizan muchos refrigerantes en la industria. Los refrigerantes pertenecientes al grupo de los hidrocarburos halogenados que son fundamentalmente derivados clorados y fluorados del metano y del etano, conocidos comercialmente como freones se consideran en la actualidad uno de los compuestos responsables de la destrucción de la capa de ozono de la atmósfera. Una adecuada selección del refrigerante permite optimizar el tiempo en que se alcanzan los requerimientos de un proceso, lo que conlleva un considerable ahorro energético. Es importante además, evitar la entrada de aire al sistema, pues de ocurrir esto, aumentaría el consumo de potencia al afectarse la transferencia de calor por la disminución de la conductividad térmica. Por otro lado, la capacidad de refrigeración de un ciclo de refrigeración indica la cantidad de calor que este ciclo es capaz de extraer del espacio frío, en una unidad de tiempo dada y se expresa ordinariamente por la capacidad del ciclo para producir hielo en 24 horas, mediante la unidad denominada tonelada de refrigeración (TR), luego: 1 TR = 3,024 kCal / h = 3.514 kW Los dos sistemas de refrigeración más populares son el de compresión de vapor y el sistema por absorción de vapor. En nuestra industria alimentaria el primero es el más conocido y utilizado. Ciclo de refrigeración por compresión de vapor La Figura 4.9 muestra el ciclo de refrigeración por compresión de vapor. Los pasos de este proceso de refrigeración se describen a continuación: 1-2 el vapor saturado que sale del evaporador (punto 1) es comprimido hasta sobrecalentarse a una mayor presión (punto 2) 2-3 a partir del punto 2 se produce la condensación del refrigerante en el condensador a presión constante hasta salir de él como líquido saturado (punto 3) 3-4 desde este punto 3, el líquido pasa por una válvula de expansión para reducir su presión 4-1 a partir del punto 4, se produce la vaporización del refrigerante en el evaporador, llevándose a cabo la refrigeración en el espacio frío, hasta salir de este como vapor saturado (punto 1) Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 55 Q1 Condensador 3 2 W Válvula de expansión 4 Compresor Evaporador 1 Q2 Figura 4.9. Ciclo de refrigeración por compresión de vapor. Las relaciones existentes en este ciclo de refrigeración como resultado de la aplicación del primer principio de la termodinámica para una unidad másica de refrigerante, se relacionan a continuación: Calor transferido en el evaporador. Q2 Q2 = H 1 − H 4 (4.25) Este constituye el efecto refrigerante, ya que es el calor transferido en el proceso 4 -1 (ver Figura 4.9). Su cálculo es necesario, porque precisamente esta etapa es la finalidad, o único efecto útil, de todo el proceso. Calor transferido en el condensador. Q1 Q1 = H 3 − H 2 (4.26) Este calor se necesita para el cálculo de las dimensiones del condensador y del flujo del medio de enfriamiento que se va a usar. Trabajo realizado por el compresor. W W = H1 − H 2 (4.27) El cálculo del trabajo de compresión que se realiza sobre el sistema es importante, porque su costo puede ser uno de los mayores costos de funcionamiento del sistema. En las ecuaciones anteriores (EC. 4.25, 4.26 y 4.27), el término, H#, significa la entalpía del refrigerante en cada punto del proceso (1, 2, 3 y 4) representados en la Figura 4.7. Para su evaluación se puede emplear cualquier diagrama termodinámico, pero el diagrama presión entalpía (PH) del refrigerante, es la representación más conveniente para realizar los cálculos de refrigeración. Para calcular y comparar la efectividad de un ciclo de refrigeración se utiliza un índice llamado coeficiente de funcionamiento o de eficacia (COP) que se define como la relación entre el calor transferido de la fuente fría y el trabajo requerido: Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 56 COP = Q2 −W (4.28) La potencia por tonelada de refrigeración, al igual que el COP muestran el funcionamiento del ciclo; la potencia por tonelada de refrigeración es el inverso del COP: kW 3.514 = TR COP (4.29) Por lo que un sistema de refrigeración de gran rendimiento tiene un alto COP, pero una baja potencia por tonelada. No obstante, una forma más representativa de evaluar el funcionamiento de un sistema de refrigeración es por medio del llamado rendimiento relativo, ŋrelat, como se expresa a continuación: η relat = COPciclo x 100 COPCarnot (4.30) De esta forma, un sistema de refrigeración con un rendimiento relativo de 85 % nos indica que él solo es capaz de alcanzar el 85 % de la bondad de funcionamiento del ciclo de Carnot para esas condiciones de operación. El ciclo de Carnot es un conjunto de acciones reversibles que tienen un rendimiento mayor que cualquier otro ciclo real, que sirve como tipo de comparación a pesar de ser un ciclo ideal y, por tanto, inalcanzable; además, este proporciona una guía conveniente sobre las temperaturas que se deberán mantener para conseguir el máximo rendimiento. El coeficiente de funcionamiento del ciclo de Carnot se expresa como: COPCarnot = Donde: T2 T1 − T2 (4.31) T2: Temperatura baja, menor que la de la fuente fría (temperatura de evaporación), expresada en grados Kelvin (K) T1: Temperatura alta, mayor que la de la fuente caliente (temperatura en el condensador) expresada en grados Kelvin (K) El valor del COP del ciclo de refrigeración por compresión se ve afectado por la irreversibilidad causada por la válvula de expansión y el trabajo de compresión. Para aumentar el COP, es decir, obtener más refrigeración con menos trabajo realizado por el compresor se emplean los llamados “Ciclos modificados de refrigeración por compresión” entre los cuales figura el ciclo por compresión de vapor en múltiples etapas que es el más utilizado en la industria alimentaria y es aquel que utiliza un compresor de varias etapas con enfriamiento entre ellas. Estos sistemas se emplean, por ejemplo, en fábricas de helados, donde en algunos casos se necesitan temperaturas bastante bajas (del orden de -35 oC) y en el almacenamiento de productos cárnicos. El enfriamiento del vapor entre las etapas de la compresión, reduce el trabajo consumido en el compresor, lo cual permite alcanzar temperaturas más bajas en el evaporador de una manera económica. Ciclo de refrigeración por absorción del vapor El sistema de refrigeración por absorción de vapor funciona por calor y utiliza un refrigerante que es alternativamente absorbido y liberado por el absorbente, La Figura 4.10, muestra de modo general un sistema de refrigeración por absorción de vapor. Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 57 Figura 4.10. Sistema de refrigeración por absorción de vapor. Dos principales sistemas de absorción son utilizados en aplicaciones industriales: bromuro de litio-agua y amoniaco-agua. Los sistemas que utilizan bromuro de litio-agua están limitados a temperaturas de evaporación por encima del punto de congelación debido a que el agua es usada como refrigerante, mientras que el refrigerante en un sistema amoniaco-agua es el amoniaco y consiguientemente este puede ser empleado para menores requerimientos de temperatura. El conjunto generador – absorbedor comprime el vapor refrigerante desde la presión del evaporador a la del condensador, absorbiendo primeramente el vapor por un líquido, aumentando la presión del líquido hasta la del condensador y liberando después el vapor. Cuando el vapor refrigerante se disuelve en el absorbente, la temperatura de la solución tiende a aumentar. Para oponerse a esta tendencia, un serpentín de enfriamiento extrae ese calor de la solución en el absorbedor. La solución en el absorbedor se llama solución fuerte porque es rica en el refrigerante. La bomba toma la solución fuerte del absorbedor, aumenta la presión e introduce la solución fuerte en el generador. En el generador la adición de calor aumenta la temperatura, lo cual motiva que parte del refrigerante se desprenda como vapor de alta presión y alta temperatura. Cuando el vapor refrigerante abandona la solución en el generador, esta vuelve a ser débil y vuelve al absorbedor a través de una válvula de estrangulamiento donde como resultado de la expansión la solución débil toma el valor de la presión del evaporador. Desde el generador, el refrigerante pasa a través del condensador, la válvula de expansión y el evaporador, al igual que en el sistema de compresión por vapor. Una diferencia fundamental entre los ciclos de refrigeración por absorción y por compresión de vapor es que el primero funciona por calor, mientras que en el segundo la transferencia de calor de la fuente fría a la fuente caliente se lleva a cabo mediante el gasto de energía mecánica, o sea de la potencia suministrada al compresor. Los datos de funcionamiento demuestran que, generalmente, por cada tonelada de refrigeración se necesita más energía por hora en forma de calor para hacer funcionar el sistema de absorción, que potencia para el ciclo de compresión por vapor. Esto no indica necesariamente que el sistema de absorción sea de funcionamiento más costoso, ya que una cantidad dada de trabajo es siempre más costosa que la misma cantidad de energía Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 58 en forma de calor. Por otra parte el sistema de absorción permite recuperar el calor residual para mejorar la eficiencia energética global del proceso de refrigeración. 4.5.1. Carga de enfriamiento La carga de enfriamiento en un equipo de refrigeración, es generalmente el resultado de un conjunto de fuentes de calor: Las fuentes más comunes son: 1. Energía calorífica que pasa a través del espacio refrigerado por conducción a través de superficies no aisladas adecuadamente. 2. Energía calorífica que llega por radiación al espacio a refrigerar a través de vidrieras o de otros materiales transparentes. 3. Energía calorífica que pasa al espacio a refrigerar debido al aire exterior caliente que pasa a través de puertas que se abren y rendijas alrededor de puertas y ventanas. 4. Energía calorífica cedida por el producto caliente a medida que su temperatura desciende hasta el nivel deseado. 5. Energía calorífica cedida por las personas que permanecen en el área. 6. Energía calorífica cedida por equipos localizados dentro del espacio, como motores eléctricos, alumbrado, equipos electrónicos, etc. No necesariamente todas las fuentes intervienen en cada caso, debiendo determinar el peso relativo de cada una ante una situación concreta. Cualquier acción que se tome para reducir estas fuentes de calor disminuirá la cantidad de energía necesaria para cumplir con determinado requerimiento. Luego, la capacidad requerida del equipo de refrigeración se puede calcular mediante la siguiente expresión: CE = CET TFD Donde: (4.32) CE: Capacidad del equipo (kJ/h) CET: Carga de enfriamiento total (kJ/24 horas) TFD: Tiempo de funcionamiento deseado (horas) Como regla general se utiliza el valor de 18 horas como tiempo de funcionamiento deseado, cuando existe la posibilidad de acumulación de escarcha en el serpentín por las temperaturas alcanzadas, se necesitará un tiempo de deshielo diariamente. Para la climatización y acondicionamiento de aire los sistemas se diseñan para operación continua pues no se requiere descongelar. En cálculos para la refrigeración comercial, la carga total de enfriamiento se divide en cuatro cargas: 1. Carga por paredes (QPA): representa la energía calorífica que fluye por conducción a través de las paredes del espacio refrigerado del exterior hacia el interior Q PA = A x Fg Donde: (kJ/24h) Fg = U x ΔT (4.33) A: Área de la superficie de la pared externa (m2) Fg: Factor de ganancia por paredes (kJ/m2 24h) (ver Anexo 2) U: Coeficiente total de transferencia de calor, depende del espesor de la pared y los materiales utilizados en su construcción (kJ/m2 24h) ΔT : Diferencia entre las temperaturas del interior y el exterior Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 59 2. Carga por cambios de aire (QCA): Energía calorífica que pasa al espacio a refrigerar debido al aire exterior caliente que pasa a través de puertas que se abren y rendijas alrededor de puertas y ventanas Q CA = V (ho − hi ) (kJ/24h) Donde: (4.34) V: Volumen de aire que entra en 24 horas Ho: Entalpía del aire exterior (kJ/kg) Hi: Entalpía del aire interior (kJ/kg) 3. Carga del producto (QP): energía calorífica cedida por el producto caliente a medida que su temperatura desciende hasta el nivel deseado Cuando un producto va a ser almacenado a una temperatura por encima de su temperatura de congelación el calor cedido por el producto equivaldrá al calor sensible evolucionado así: QP = m p Cp ΔT 24horas TED Fre Donde: (kJ/24h) (4.35) mp: Masa de producto (kg) Cp: Capacidad calorífica del producto (kJ/kg K) ΔT : Cambio de temperatura en el producto (K) Fre: factor de rapidez de enfriamiento TED: Tiempo de enfriamiento (h) Pero cuando un producto va a ser congelado y almacenado a una temperatura menor que su temperatura de congelación la carga del producto se calcula en tres partes: 1. calor cedido por el producto al enfriase desde la temperatura de entrada hasta la de congelación 2. calor cedido durante la congelación 3. calor cedido por el producto al enfriase desde la temperatura de congelación hasta la de almacenamiento Las partes 1 y 3 se calculan utilizando la ecuación 4.36, correspondiendo ambas al calor sensible evolucionado, mientras la parte 2 corresponde a un calor latente de cambio de fase que será calculado mediante la ecuación 4.37: QP −1,3 = m p Cp ΔT (kJ) (4.36) QP 2 = m p λ (kJ) Donde: λ: Calor latente del producto (kJ/kg) (4.37) Luego, la carga del producto que va a ser congelado y almacenado a una temperatura menor que su temperatura de congelación se calcularía como: QP = (QP1 + QP 2 + QP 3 ) 24 horas TED (kJ/24h) (4.38) Por otra parte, las frutas y vegetales continúan experimentando transformaciones mientras están almacenados, entre ellas las debidas al proceso de respiración, por la cual el oxígeno del aire reacciona con los carbohidratos en el tejido de la planta, formándose Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 60 dióxido de carbono y desprendiendo energía calorífica. Este calor, llamado calor de respiración (CR), forma parte también de la carga del producto. Para frutas y vegetales el calor de respiración puede obtenerse en diversas tablas de la literatura especializada. La carga del producto en 24 horas por esta causa se obtiene a través de la siguiente expresión: Q RP = m p x CR x 24 horas (kJ/24h) (4.39) Entonces la carga del producto para el caso frutas y vegetales sería: QP ( F ,V ) = QP + QRP (kJ/24h) (4.40) 1. Cargas varias (Qv): Incluyen fundamentalmente el calor cedido por el alumbrado, por los motores eléctricos que funcionan dentro del espacio y por las personas que trabajan en el interior del local Calor cedido por el alumbrado: Q A = Wattaje x 3.6 kJ x 24 horas (kJ/24h) Wh (4.41) La carga de enfriamiento total (CET) será la sumatoria de todas las cargas mencionadas anteriormente: CET = QPA + QCA + QP + QV (kJ/24h) (4.42) El cálculo de la carga total de enfriamiento no solamente es útil para determinar la capacidad del equipo de refrigeración, sino también que a través de su cálculo pueden conocerse las cargas que más aportan a la total y se puede evaluar la posibilidad de reducirlas. Además, su valor puede ser utilizado en la evaluación de alternativas de optimización de espacios refrigerados o climatizados (ejemplo: almacenes), alternativas que deben culminar en un estudio de factibilidad económica. 4.5.2. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía 1. Usar temperaturas apropiadas para el funcionamiento (el establecimiento del termostato por debajo de la temperatura requerida deriva en un consumo innecesario de energía) 2. Instalar sellos, puertas de muelle o cortinas plásticas en el local refrigerado 3. Controlar y programar los tiempos de refrigeración 4. Evitar en lo posible el ingreso al local refrigerado 5. Aislar, con el espesor óptimo, el equipo, cuarto de refrigeración, tuberías y equipos expuestos al sol con aislamiento color plateado o blanco para reflejar el calor 6. Tener en cuenta siempre que sea posible el uso de antecámaras acondicionadas que permiten reducir la entrada de aire caliente y humedad exterior a la cámara refrigerada 7. Eliminar fuentes adicionales de calor en el local refrigerado (focos incandescentes, infiltración de aire) 8. Aplicar pintura de color claro en el techo y paredes del local refrigerado 9. Organizar los productos almacenados, de forma tal que la puerta de la cámara permanezca abierta el menor tiempo posible 10. Impedir el ingreso de materiales de empaque innecesarios 11. Colocar controles que permitan que las luces interiores permanezcan apagadas cuando la cámara esté cerrada Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 61 12. Garantizar que el manejo de los productos requiera el mínimo tiempo de apertura de la puerta, mediante el uso de tarimas para la entrada y salida de productos. 13. Preservar un espacio de aire entre los productos almacenados. 14. Instalar sistemas de descongelación automáticos para los ciclos de descongelación de los equipos de refrigeración. 15. Establecer un programa de mantenimiento periódico para verificar si existen fugas de refrigerante a la atmósfera, ejecutar la limpieza de condensadores y evaporadores, así como la comprobación de los ciclos de descongelación. 16. Determinar periódicamente los indicadores que muestran la eficacia del sistema de refrigeración. 17. No ingresar productos calientes a la cámara refrigerada. 18. Evaluar económicamente la posibilidad de utilizar el ciclo de refrigeración por absorción de vapor el cual funciona con calor y permite la recuperación del calor residual aumentando la eficiencia energética global del proceso. 19. Eliminar todas las infiltraciones ya sean ocasionadas por fugas o aberturas en paredes. 20. Chequear el mantenimiento y limpieza de los aires acondicionados. 21. Cubrir los cristales de ventanas expuestas al sol de locales con acondicionamiento de aire con películas controladoras de la transmisión de calor o cortinas. 22. Limpiar los filtros de aire de los equipos de aire acondicionado una vez por semana. 23. Procurar que el equipo esté en óptimas condiciones de funcionamiento. Programar una revisión técnica especializada por lo menos dos veces al año. 24. No exigir una temperatura muy fría al aire acondicionado al momento de ponerlo en marcha, ya que no refrescará al ambiente rápidamente, solo causará un gasto mayor de energía. 4.6. Secadores La operación de secado consiste generalmente en la eliminación de la humedad de una sustancia. Esta operación tiene un amplio uso en la industria alimentaria en la obtención de leche en polvo, de aromas en polvo, productos concentrados, secado de pastas, obtención de levadura panadera seca, deshidratación de frutas, etc. Existe una amplísima gama de secadores y su selección esta determinada principalmente por el tipo de producto a tratar, los volúmenes a secar, las condicionantes impuestas por el producto a secar y el fluido secador. Secadores de cilindro caliente, por aspersión, de granos, neumático, de tamiz, por fluido vibrado, por microondas a bajo vacío y los rotativos (ver Figura 4.11); son algunos de los tipos de secadores que encontramos en la industria. En estos las fuentes principales de energía están dadas por el calor contenido en el aire de suministro, el cual es previamente acondicionado a la temperatura y humedad requerida. Una de las formas utilizadas para el acondicionamiento es el uso del calor disipado por resistencias eléctricas siendo estas, junto a motores, reductores, ventiladores y compresores los principales consumidores de electricidad del proceso. Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 62 Figura 4.11. Esquema de diferentes tipos de secadores. En el secado se integran dos fases diferentes: una de evaporación superficial y otra de transporte capilar y difusión interna. Este esquema pone de manifiesto la incidencia en el proceso de la sustancia a secar (higroscopicidad, forma, presentación, uso, etc.) en cada fase del proceso de secado y las distintas dificultades existentes en cada una de ellas para liberar el líquido retenido. De ello dependen las variables esenciales del proceso: o o o o o o o o Velocidad de secado del producto Temperaturas de secado en cada fase Duración del secado Eficacia del secado Energía consumida Volumen de masa transferida Energía recuperable Velocidad de aire o fluido secador Estas dos fases se diferencian claramente en una curva general de secado (Figura 4.12). Es absolutamente necesario conocer en cada caso el punto de inflexión del proceso de secado. Solo así se podrá dirigir el planteamiento del proceso con criterios de eficiencia energética. Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 63 Figura 4.12. Curva general del proceso de secado. El balance térmico del proceso de secado está representado por la ecuación siguiente: ( ) ( ) Q e + Q v = Ps Cp P TP 2 − TP1 + S Cp s Ts 2 − Ts1 + A (h 2 − h 1 ) − L Cp L Tp 1 + Q P (4.43) Donde: Qe: Calor cedido al secador por la fuente energética (kJ/h) Qv: Energía equivalente por acción de ventilación o movimiento del fluido (kJ/h) Ps: Cantidad de producto seco (kg/h) S: Dispositivo de transporte del secador (kg/h) A: Cantidad de aire o fluido seco (kg/h) L: Cantidad de líquido retirado (kg/h) Qp: Calor o energía de pérdidas (kJ/h) CpP: Calor específico del producto seco (kJ/kg K) Cps: Calor específico del dispositivo de transporte (kJ/kg K) CpL: Calor específico del líquido retirado (kJ/kg K) h1 y h2: Entalpía del aire inicial y final por unidad de masa de aire seco (kJ/kg) TP1 y TP2: Temperaturas de entrada y salida del producto (K) Ts1 y Ts2: temperaturas de entrada y salida del dispositivo de transporte del secador (K) Esta ecuación básica pone de relieve los factores esenciales que condicionan cualquier posibilidad de optimización del consumo energético en el proceso de secado: o o o o o o Tipo de producto a secar (posibilidad de precalentamiento) Tipo de material del secado (posibilidad de precalentado) Pérdidas en el aporte de calor y en la energía mecánica de ventilación Masa del fluido desecador Cantidad de líquido a retirar La duración del proceso de secado Por tanto, un enfoque de optimización energética conlleva a la fijación exacta de los periodos de secado, la eliminación de pérdidas, la elección de un sistema de flujo de fluidos de óptimos rendimientos, la elección durante la selección del equipo de materiales de construcción del secador que eviten el despilfarro de energía y un proceso de preparación previa del producto, del fluido secador y del propio equipo, mediante energía más barata o asequible, que simplifique al máximo las necesidades de aporte de energía calorífica y mecánica al proceso de secado. Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 64 Especial importancia tiene en este sentido la elección del sistema de circulación de gases en el secador: desplazamiento en igual sentido o corrientes paralelas (Figura 4.13 a), a contracorriente (Figura 4.13 b) o en corrientes cruzadas (Figura 4.13 c). Desde el punto de vista de eficiencia energética, el secado por corrientes cruzadas generalmente demanda más altos sacrificios energéticos en beneficio de más rapidez en el secado; sin embargo el procedimiento de contracorrientes es superior al de corrientes paralelas desde el punto de vista de economía del calor. Otra alternativa es la de mantener en reposo o movimiento el producto a secar. Figura 4.13. Circulación relativa aire-producto en los secadores. 4.6.1. Criterios de consumo energético Para evaluar el consumo energético de un proceso de secado se puede recurrir a la aplicación de tres criterios fundamentales: o Valor del consumo energético unitario del proceso (CEU) o % de eficiencia del proceso o Balance térmico del proceso El consumo energético unitario (CEU) de un secador mide la cantidad de calor que se precisa aplicar para extraer la unidad de masa de agua. Interesa que esta relación sea lo menor posible. CEU = Energía suministrada m AE Donde: (kJ/kg de agua evaporada) (4.44) mAE: Masa de agua evaporada (kg) Energía suministrada: energía suministrada que provoca la extracción de la humedad del producto (kJ) Si quisiera calcularse el consumo energético unitario global del sistema de secado, debe incluirse en el término de energía suministrada, la energía consumida por todos los equipos (motores, reductores, ventiladores, compresores, resistencias eléctricas) que intervienen en el proceso, donde la eficiencia de estos juega un papel importante. Debe considerarse también la recuperación de calor en los casos donde sea aplicada. El % de eficiencia refleja la medida en que el proceso es capaz de aprovechar la energía suministrada para extraer la humedad del producto y debe considerarse la recuperación de calor donde sea aplicada. Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 65 % de eficiencia = Donde: m AE λ 100 Energía suministra da (4.45) mAE: Masa de agua evaporada (kg) λ: Calor latente (kJ/kg) Finalmente el balance de energía del proceso, por incluir las pérdidas energéticas previsibles, permite completar el cómputo energético real de un proceso de secado y se calcula por la ecuación 4.43. 4.6.2. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía 1. Reducir de pérdidas de calor en paredes o por transmisión a los elementos contractivos del secador mediante el uso adecuado de aislamiento. 2. Tener en cuenta la elección de los materiales de construcción del equipo en la selección o diseño del mismo. 3. Eliminar las fugas de calor del equipo. 4. Utilizar un aire de secado lo más cálido posible. 5. Operar el proceso de manera que se sature al máximo posible el aire de salida. 6. Reciclar en el secador una parte del aire saliente, lo que permite recuperar la energía del aire húmedo, en vez de enviarla a la atmósfera. Así, este aire húmedo y cálido se podría usar para precalentamiento de aire o del producto (si este lo admite) o en operaciones de preparación previa. 7. Evaluar la posibilidad de recuperar el calor sensible del producto caliente. 8. Evaluar la posibilidad de utilizar el aire atmosférico para operaciones de presecado. 9. Emplear cuando sea posible, gases producto de la combustión (Calderas), para el funcionamiento del secador evitando el uso de otras energías más caras. 10. Elaborar la curva general de secado que permitirá conocer la velocidad y el tiempo de secado. 11. Ser estricto con la relación entre el tiempo y la velocidad de secado del proceso, variaciones en la misma pueden traer como resultado problemas de calidad del producto y por otra parte consumo extra de energía. 12. En el caso de líquidos potenciar los procesos de evaporación. 13. Promover el uso de la circulación de aire-producto en contracorriente a la circulación por corrientes paralelas. 14. Evaluar el consumo energético del proceso con periodicidad. 15. Identificar las pérdidas y accionar sobre ellas. 16. Utilizar equipos (ventiladores, motores, compresores) de alta eficiencia y programar y controlar mantenimientos preventivos. 4.7. Sistemas de iluminación El sistema de iluminación ofrece un amplio potencial de ahorro de energía, en parte por la cuantía absoluta del ahorro y más que todo porque contribuye a formar en las personas un alto grado de concientización que se transforma en rutina y finalmente en cultura del uso racional de la energía en otros sistemas de la industria. El potencial de ahorro de la iluminación está estrechamente vinculado al diseño mismo de las instalaciones, la operación y el mantenimiento. El mantenimiento periódico del sistema de alumbrado tiene un marcado impacto en el consumo de energía y en los niveles de iluminación. Por lo general, los sistemas de iluminación en la industria actúan como Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 66 trampas de polvo debido a la naturaleza de las operaciones que en ella se realizan. La falta de un programa de limpieza periódica resultar en una disminución de los niveles de iluminación. La selección de lámparas y luminarias eficientes no sólo reduce los costos de mantenimiento, sino que incluso, reduce el consumo de energía. Por ejemplo el uso de lámparas gemelas fluorescentes con difusores de poliestireno puede proveer el mismo grado de iluminación que otra variante pero con el más bajo consumo de energía. Del mismo modo, las lámparas de sodio a alta presión proporcionan ahorros de energía de hasta un 80 % comparado con las lámparas de filamento de tungsteno de alto consumo. Para realizar una adecuada selección de las luminarias, deben conocerse los niveles de eficiencia y rendimiento de los diferentes tipos que pueden encontrarse en el mercado. La Tabla 4.4 muestra la eficiencia luminosa de algunas fuentes de iluminación, información que permite tener criterios a la hora de tomar decisiones y seleccionar la alternativa más económica teniendo siempre en cuenta la normativa relativa al nivel de iluminación de las diferentes áreas que componen a la industria. Tabla 4.4. Eficiencia luminosa de diferentes fuentes de iluminación Fuente de iluminación Lámparas incandescentes Tubos fluorescentes blancos Lámparas de mercurio de alta presión 80 W 125 W 400 W Lámparas de sodio de alta presión 70 W 250 W 400 W Lámparas de sodio de baja presión 10 W 18 W Lámpara de halógeno y tungsteno Haluro de metal Eficiencia Lumens/Watt 15 60 - 85 Promedio de vida útil horas 1,000 5,000 36 41 52 5,000 5,000 5,000 82 100 117 10,000 10,000 10,000 100 175 25 60 - 85 10,000 10,000 5,000 5,000 Puede verse en la Tabla 4.4 que la eficiencia (lumens/watt) de una lámpara de sodio de baja presión es muchas veces (10 – 17 veces) mayor que una lámpara incandescente (filamento de tungsteno). Puede notarse también que de manera general la eficiencia de una lámpara específica es mayor mientras mayor es su potencia. Los llamados bombillos ahorradores pueden ser utilizados como sustitutos de los bombillos de filamento de tungsteno. Estos son tubos fluorescentes compactos, los cuales consumen alrededor de un 80 % menos de electricidad que un bombillo convencional emitiendo la misma cantidad de iluminación. Este tipo de bombillo tiene además una vida de alrededor de 6 a 8 veces mayor. Las luminarias que comúnmente se utilizan en la industria son lámparas fluorescentes del tipo T12 en diferentes potencias y arreglos. Las siglas T12 significan que se trata de lámparas tubulares con un diámetro de 12 octavos de pulgada. Estas lámparas pueden ser reemplazadas por lámparas fluorescentes del tipo T8 de 32 W (las siglas T8 significan que se trata de lámparas tubulares de 8 octavos de pulgada), las cuales proporcionan Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 67 iguales o mejores niveles de iluminación. Además del reemplazo de las lámparas, se recomienda instalar reflectores especulares. El reflector sustituye a una de las lámparas proporcionando hasta un 50 % de ahorro. EJEMPLO 4.4 En una fábrica de refrescos se tienen los siguientes datos relacionados con el sistema de iluminación: Cantidad de tubos fluorescentes T12 de 40 W = 804 u Potencia instalada (P1) = 804 x 40 W = 32,160 W = 32.16 kW Al sustituir los tubos fluorescentes del tipo T12 de 40 W por tubos fluorescentes del tipo T8 de 32 W la potencia sería: Potencia instalada (P2): 804 x 32 W = 25,728 W = 25.73 kW Y la reducción de la potencia instalada sería: Reducción (P1 – P2) = 32.16 kW – 25.73 kW = 6.43 kW Asumiendo 4380 h de trabajo al año se tendría una reducción en el consumo de electricidad al sustituir las lámparas T12 por T8 de: Reducción del consumo: 6.43 kW x 4,380 h /año = 28,163.40 kWh/año = 28.16 MW/año El uso de la luz solar mediante la instalación de tejas traslúcidas en áreas de la industria reduce el consumo de energía eléctrica por luz natural, esto puede representar ahorros de un 40 hasta un 60 % del uso de electricidad requerida para la iluminación. Para ahorrar energía en la iluminación se requiere la reducción del consumo de electricidad en la fuente, la cual puede ser alcanzada a través del uso de luminarias de alta eficiencia; pero también se requiere de una reducción en el tiempo en que la fuente permanece encendida lo cual puede lograrse mediante: o Control manual Los interruptores del circuito de iluminación deben colocarse lo más cercano posible a las luminarias. Arreglos en los circuitos de iluminación de un área deben permitir el control manual de secciones de esta de manera independiente, principalmente las luminarias más cercanas a las ventanas o las que suministran iluminación a zonas ocupadas temporalmente. o Controles automáticos a) Controles fotoeléctricos: estos sensores garantizan que las luminarias se apaguen cuando la luz del día proporciona la iluminación requerida y que se enciendan cuando ocurre el efecto contrario. b) Controles de tiempo: Se utilizan para apagar las luminarias a una hora determinada y su encendido se realiza manualmente. Tienen aplicación cuando se conoce que a determinada hora el área permanecerá desocupada y proporciona muy buenos resultados su aplicación después de la jornada laboral. Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba CAPÍTULO 4. Gestión Eficiente de la Energía Eléctrica 68 c) Sistemas de control mediante sensores de movimiento: Estos dispositivos captan el movimiento y apagan las luminarias cuando no se ha generado movimiento en un área por un tiempo predeterminado. d) Controles por temporizadores de presión: este tipo de dispositivos son utilizados en áreas ocupadas brevemente como escaleras. 4.7.1. Recomendaciones concretas para el ahorro de energía 1. 2. 3. 4. Programar y chequear el mantenimiento periódico del sistema de iluminación. Comprobar los niveles de iluminación existentes respecto a las normativas. Promover la sustitución paulatina de las luminarias estándar por luminarias eficientes. Considerar en el diseño de un sistema de iluminación la selección de luminarias eficientes y controles automáticos para el encendido y apagado de las mismas, así como, la instalación de circuitos independientes. 5. Eliminar el uso de focos incandescentes sustituyéndolos por bombillos ahorradores o lámparas fluorescentes más eficientes como las de tipo T8. 6. Retirar las luminarias fundidas. 7. Sustituir los difusores en mal estado o que hayan perdido la transparencia. 8. Mantener en buen estado la pintura de la luminaria (caja soporte de las lámparas) 9. Pintar los locales con colores claros para promover la reflexión de la luz. 10. Utilizar lámparas de sodio de alta o baja presión en áreas externas que no requieran de nitidez. 11. Utilizar reflectores ópticos para aumentar el nivel de iluminación. 12. Instalar láminas o tejas traslúcidas para aprovechar la luz solar y reducir el consumo de electricidad. 13. Reducir los niveles de iluminación en áreas comunes teniendo en cuenta las normativas establecidas. 14. Sustituir paulatinamente las lámparas fluorescentes del tipo T12 por lámparas fluorescentes más eficientes del tipo T8. Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba ANEXOS ANEXOS ANEXO 1. Factores de Conversión Tabla A-1.1: Factores de conversión de longitud m cm pie pulg m 1 0.01 0.3048 0.0254 cm 100 1 30.48 2.54 pie 3.28 0.0328 1 0.0833 pulg 39.37 0.3937 12 1 Tabla A-1.2: Factores de conversión de presión atm atm mm Hg 1 131.6 10‐ 760 1 pulg Hg 29.92 0.039 pulg Hg MPa bar mm H2O pulg H2O kgf/cm2 lbf/pulg2 0.0334 9.8692 0.9869 97 10‐6 24.610‐4 0.9678 0.0680 25.4 7.5 10‐3 750.06 0.0736 25.40 735.56 51.72 1 275.3 401.46 0.0029 0.0736 28.96 2.04 5 mm Hg MPa 0.101 133 10‐6 339 10‐5 1 0.10 10 10‐6 249 10‐6 0.0981 0.00689 mm H2O pulg H2O kgf/cm2 lbf/pulg2 1.013 133.3 10‐6 10332.27 13.595 406.782 535.2 10‐3 1.033 136 10‐5 14.70 193.4 10‐3 33.86 10‐3 10 1 98 10‐6 24.9 10‐4 0.9807 0.06895 345.31 102 103 10.197.16 1 25.40 10,000 703.07 13.59 4,014.63 401.46 0.0394 1 393.70 27.68 345 10‐4 10.197 1.0197 1 10‐4 25.4 10‐4 1 0.0703 491.2 10‐3 145.038 14.5 14.22 10‐4 0.0361 14.22 1 bar Tabla A-1.3: Factores de conversión de masa g kg ton lb g 1 103 106 453.60 kg 10-3 1 103 0.4536 ton 10-6 10-3 1 0.454 10-3 lb 2.205 10-3 2.205 2.205 1 Tabla A-1.4: Factores de conversión de energía + trabajo kJ Cal hp.h J kCal kW.h Btu kJ 1 41.87 10-4 2,684.52 0.001 4.187 3,600 1.055 Cal 238.846 1 641,186.48 0.239 1,000 859,845.23 252 hp.h 373 10-3 156 10-8 1 37 10-8 15.60 10-4 1.34 0.000393 J 1,000 4.187 2,684,519.50 1 4,186.80 36 105 1,055.06 kCal 0.2388 0.001 641.19 239 10-6 1 859.85 0.2520 kW.h 278 10-6 116 10-8 0.7457 28 10-8 116.3 105 1 0.000293 Btu 0.9478 238.85 0.000373 1,000 0.2388 0.000278 1 Tabla A-1.5: Factores de conversión de potencia kW Btu/h kCal/h W Cal/s Btu/s kW 1 0.000293 0.001163 0.001 0.004187 1.055 Btu/h 3,412.14 1 3.97 3.40 14.29 3,600 kCal/h 859.85 0.2520 1 0.8598 3.60 907.20 W 1,000 0.2931 1.163 1 4.187 1,055.10 Cal/s 238.85 0.0700 0.2778 0.2388 1 252 Btu/s 0.9478 0.000278 0.001102 0.000948 0.003968 1 Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba ANEXOS Tabla A-1.6: Factores de conversión de conductividad térmica kW/mK Btu/pie h ºF Btu/pie s ºF kCal/m h ºC kCal/m s ºC W/m K W/cm K kW/mK 1 0.0173 62.31 0.0116 41.90 0.010 1 Btu/pie h ºF 5777,9 1 432,000 6.70 24,190.90 5.778 577.80 Btu/pie s ºF 1.605 0.002778 1 0.001867 6.70 0.0016 0.1605 kCal/m h ºC 8,598.45 14.88 53573.90 1 36,000 8.60 859.80 kCal/m s ºC 2.39 0.004134 14.90 0.002778 1 0.002388 0.2388 W/m K 10,000 17.31 62,306.40 11.63 41,868 1 1,000 Tabla A-1.7: Conversión de la temperatura y el calor específico Temperatura C = 5/9 x (oF - 32) o F = 9/5 x (oF + 32) o Calor específico 1 Cal/g oC = 1 Btu/lboF 1 kCal/m3 = 4.187 J/m3 1 Cal/g = 1.80 Btu/lb Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba W/cm K 100 0.1731 623.10 0.116 418.70 0.10 1 ANEXO 2. Ganancia de calor por paredes Tabla A-2.1. Ganancia de calor por paredes, Btu/pie2 24 h) Punto Focal IIIA de la Red Nacional de Producción Más Limpia de Cuba ANEXOS
