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• Jaime Silva Lorca

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Minera tech minerals

Resumen El desarrollo actual y prospectivo de la industria en una economía abierta y globalizada, requiere de acciones encaminadas a reducir costos y aumentar la competitividad. En la actualidad, la empresa Tex Minerals. ha visto cómo los costos energéticos han pasado de ser un factor marginal en su estructura de costos a constituir un componente importante en los mismos. Por ello surgió la necesidad de evaluar la eficiencia energética en la industria minera, localizada en el norte de Chile. Para dicho propósito se estableció como objetivo caracterizar el estado de eficiencia energética de la minera, e identificar los factores que influyen en la eficiencia energética de tal forma alcanzar el óptimo rendimiento del sistema eléctrico en función de sus operaciones. El análisis se basó en estudios disponibles sobre eficiencia energética, y utilizando herramientas de gestión para el análisis estadístico de los datos. Como resultados se entregaron indicadores que relacionan el consumo de energía con los volúmenes de producción. Además de la implementación de índices de consumo energético que sean capaces de normalizar la reducción dentro de rangos establecidos, se recomienda establecer buenas prácticas de eficiencia energética que abarquen todas aquellas acciones que permiten a la empresa hacer un buen uso de los equipos, condiciones de proceso aptos para la correcta operación de maquinarias y no generar esfuerzos que redundan en un excesivo uso de la energía. Para terminar, se concluye que para el éxito de un programa de ahorro de energía resulta imprescindible el compromiso de la alta dirección de la empresa para

lograr los objetivos establecidos y poder generar ahorros tanto en el corto como en largo plazo.

Índice

Introducción ............................................................................................................................... 5 Objetivo General........................................................................................................................ 6 Objetivos específicos. ............................................................................................................. 6 Capítulo I. Antecedentes del proyecto. ............................................................................... 7 1.1 Consumos eléctricos .................................................................................................... 8 1.2 Sistema eléctrico ............................................................................................................ 9 Capitulo II. Estudio del grupo electrógeno. ..................................................................... 11 2.1 Análisis del proceso termodinámico del funcionamiento del generador Ciclo Diesel: El ciclo ideal para las maquinas de encendido por compresión. . 11 2.2 Solución Numérica....................................................................................................... 14 2.3 Análisis de la eficiencia del equipo en base a la cantidad de combustible utilizado: ................................................................................................................................ 16

Introducción En el presente informe, se dará a conocer los antecedentes actuales entregados por la minera Tex Minerals desde su consumo energético hasta el proceso mensual de la actividad, se requiere un análisis a fondo de estos, para buscar alternativas para mejorar la eficiencia energética de los procesos. Este estudio tiene como objetivo, dar a conocer los antecedentes previamente entregados para lograr un análisis a fondo de la actividad, para realizar un plan de mejora con respecto a la eficiencia de este, de este modo, lograr auto sustentar en parte para mejorar la calidad del proceso y mejorar el consumo energético, además se hará un estudio de eficiencia con respecto al ciclo termodinámico del generador eléctrico, para lograr una mayor eficiencia. Para cumplir con los objetivos requeridos, se va a realizar un estudio a fondo del sector para tener mayor calidad de datos, al ser una minera, se optará por la instalación de paneles fotovoltaicos, además, de aero generadores para obtener energía eléctrica durante día a través de los paneles solares y el aero generador, pero este a su vez, estará en completo funcionamiento durante la noche que por su contraparte los paneles solares no estarían cumpliendo su función. Finalmente se realizará un análisis de cosos del proyecto y una pequeña mejora de este.

Objetivo General Nuestro objetivo es disminuir los costos energéticos de la empresa y evitar el impacto ambiental.

Objetivos específicos. Mejorar la eficiencia energética de la minera Implementar sistemas de energías renovables Reducir los costos de la empresa Reducir el impacto medio ambiental de esta. Llevar un control de consumo energético para lograr optimizar la minera

Capítulo I. Antecedentes del proyecto. La planta se encuentra abastecida por minerales que son ingresados mediante camiones de capacidad de 30m3. De acuerdo con informes entregados por “Tex Minerals” se estima un promedio de 60 camionadas y un máximo de 120 respecto a la producción proyectada diaria. Una vez que el material es depositado se conduce mediante cargador frontal y camión hasta las tolvas de alimentación que poseen una capacidad de 30 a 300 TON. Luego que el mineral es reducido en su granulometría es dirigido mediante vibratorios a la correa de alimentación de chancado primario, esta correa se encuentra provista de un electroimán y un detector de metales que busca evitar daños en el chancador. El mineral transportado por la correa de alimentación al chancador primario se alimenta a través de un alimentador primario a la boca del chancador. El mineral procesado abandona esta etapa mediante correa de producto primario el harnero vibratorio en esta parte del proceso realiza un trabajo de suma importancia ya que divide el material en dos muestras de tamaño que son conducidas a reproceso o avanzan por medio de la correa de producto en donde el material es rociado con ácido. Finalmente, el material al llegar a la torre de muestreo es clasificado por un muestreador primerio que separa el material que iría directo a óxidos o que

debe pasar por un proceso más. En caso de requerirlo el proceso comienza con un chancador de mandíbulas. Cabe recalcar que los equipos están constantemente operando independiente de que si existe o no material en proceso.

1.1 Consumos eléctricos Ubicación del Motor

Potencia

Régimen de alimentación

Tipo de accionamiento

Alimentador Vibratorio Inicio

3,5 HP

380 VAC

Partida Directa

Correa de alimentación CT-100

30 HP

380 VAC

Delta - Estrella

Correa de alimentación

25 HP

380 VAC

Delta – Estrella

Alimentador Vibratorio

3,5 HP

380VAC

Partida Directa

Correa producto primario Chancador Primario

20 HP

380 VAC

Delta - Estrella

300 HP

380 VAC

Partidor Suave

Chancador Secundario

500 HP

380 VAC

Partidor Suave

Alimentador Vibratorio

3,5 HP

380 VAC

Partida Directa

Harnero Vibratorio Correa Harnero Primario Correa Retorno Primario Correa de Producto

30 HP

380 VAC

Partida Directa

10 HP

380 VAC

Delta - Estrella

15 HP

380 VAC

Partida Directa

15 HP

380 VAC

Partida Directa

Muestreador Primario

3 HP

380 VAC

Partida Directa

200 HP

380 VAC

Partida Directa

3,5 HP

380 VAC

Partida Directa

5,5 HP

380 VAC

Partida Directa

1.5 HP

380 VAC

Partida Directa

10 HP

380 VAC

Partida Directa

10 HP

380 VAC

Partida Directa

Chancador de Mandíbulas Alimentador Vibratorio x2 Chancador de Cono x 2 Muestreador x 2 Motor Elevador de Capacho Correa de óxidos y sulfuros

Tabla 1 Consumos eléctricos de la minera.

1.2 Sistema eléctrico El sistema eléctrico consta de una alimentación desde la red en la cual la minera actúa como cliente libre. Los consumos eléctricos de la planta se detallan en la siguiente tabla.

Agencia de compra

2013

Dato

2014

Dato

Fecha

KWh

TMS

Fecha

KWh

TMS

Enero

131503

23517,7

Enero

125673

22530,2

Febrero

112464

21325,5

Febrero

116580

21425,6

Marzo

132377

24488

Marzo

133400

22360,5

Abril

132927

23026,4

Abril

142350

21650,2

Mayo

138234

17552,3

Mayo

132670

18640,2

Junio

131373

20956,3

Junio

131360

23560,3

Julio

134534

22539,4

Julio

134565

21560,6

Agosto

142276

23438,8

Agosto

132654

19685,3

Septiembre

129349

19803,1

Septiembre

122984

19456,7

Octubre

140325

26867,2

Octubre

136230

20653,5

Noviembre

124508

22622,1

Noviembre

134502

19452,5

Diciembre

117680

21340,3

Diciembre

107450

22654,5

Tabla 1.1 Gastos de consumo eléctricos por año.

A lo anteriormente expuesto se agrega que la minera posee un sistema de generación de 500 KVA conectado a la barra principal para casos de emergencia. La siguiente tabla muestra los datos de la placa característica del generador. Grupo Electrógeno ZC-360 KVA/KW Cos 0.86 Potencia Stand-By Potencia Prime 500/400 450/360 Consumo combustible 135 l/h Motor KTA19-64 Diesel Tabla 1.3 Grupo electrógeno proyectado.

El diagrama del proceso P-v con el que opera el equipo es el siguiente:

Imagen 1 Curva de temperatura del grupo electrógeno

El generador posee una relación de compresión de 18, en el proceso 1 la temperatura es de 300K y la presión de 0,1MPa. La relación del ciclo de combustión es 2. Analizar la temperatura y presión al final de cada proceso del ciclo, obtener el rendimiento térmico del sistema. Además, analizar la eficiencia del equipo en base a la cantidad de combustible utilizado. El Plano eléctrico se encuentra dentro del adjunto. Es de vital importancia que dentro de las medidas de eficiencia considere la inserción de un banco de condensadores debido a que actualmente la planta está funcionando con un COS 0,8.

Capitulo II. Estudio del grupo electrógeno. 2.1 Análisis del proceso termodinámico del funcionamiento del generador Ciclo Diesel: El ciclo ideal para las maquinas de encendido por compresión.

En los motores ECOM (también conocidos como motores Diesel) el aire se comprime hasta una temperatura que es superior a la temperatura de autoencendido del combustible, y la combustión inicia al contacto, cuando el combustible se inyecta dentro de este aire caliente. las relaciones de compresión están limitadas por el comienzo del autoencendido o el golpeteo del motor. En los motores Diesel, solamente el aire se comprime durante la carrera de compresión, eliminando la posibilidad de autoencendido. Por lo tanto, los motores Diesel pueden ser diseñados para operar a relaciones de compresión generalmente entre 12 y 24. El proceso de inyección de combustible en los motores Diesel empieza cuando el émbolo se aproxima al PMS (Punto Muerto Superior) y continúa durante la primera parte de la carrera de potencia. Por lo tanto, en estos motores el proceso de combustión sucede durante un periodo más largo. Debido a esta mayor duración, el proceso de combustión en el ciclo Diesel ideal se obtiene como un proceso de adición de calor a presión constante.

Imagen 2.1 Funcionamiento del pistón.

Imagen 2.2 Diagrama P-V para el ciclo Diesel

Imagen 2.3 Diagrama T-S

Si se observa que el ciclo Diesel se ejecuta en un dispositivo de émbolo y cilindro, que forma un sistema cerrado, la cantidad de calor añadida al fluido de trabajo a presión constante y rechazada por éste a volumen constante puede expresarse como:

Entonces, la eficiencia térmica de un ciclo Diesel ideal bajo las suposiciones de aire estándar frío se vuelve:

Ahora se define una nueva cantidad, la relación de corte de admisión rc, como la relación de los volúmenes del cilindro antes y después del proceso de combustión:

Al usar esta definición y las relaciones de gas ideal isentrópicas para los procesos 1-2 y 3-4, la relación de la eficiencia térmica se reduce a:

2.2 Solución Numérica. El aire contenido en el cilindro forma un sistema cerrado. a) Los valores de la temperatura y la presión al final de cada proceso pueden determinarse si se utilizan las relaciones isentrópicas de gas ideal para los procesos 1-2 y 3-4. Pero primero determine los volúmenes al final de cada proceso a partir de las definiciones de la relación de compresión y de la relación de corte de admisión: 𝒓 = 𝟏𝟖 𝒓𝒄 = 𝟐 𝒌 = 𝟏, 𝟒 𝑽𝟏 = 𝑽𝟏 𝑽𝟐 =

𝑽𝟏 𝑽𝟏 = 𝒓 𝟏𝟖

𝑽𝟑 = 𝒓 𝒄 𝑽 𝟐 = 𝟐 × 𝑽𝟒 = 𝑽𝟏

𝑽𝟏 𝑽𝟏 = 𝟏𝟖 𝟗

Proceso 1-2 (compresión isentrópica de un gas ideal, calores específicos constantes): 1,4−1

𝑉1 𝑘−1 𝑉1 𝑇2 = 𝑇1 ( ) = (300 𝐾) × ( ) 𝑉1 𝑉2 18 ⇒

= (300 𝐾) × (18)1,4−1 = 953,3 𝐾

𝑻𝟐 = 𝟗𝟓𝟑, 𝟑 𝑲 1,4

𝑉1 𝑘 𝑉1 𝑃2 = 𝑃1 ( ) = (0,1 𝑀𝑃𝑎) × ( ) 𝑉1 𝑉2 18 ⇒

= (0,1 𝑀𝑃𝑎) × (18)1,4 = 5,72 𝑀𝑃𝑎

𝑷𝟐 = 𝟓, 𝟕𝟐 𝑴𝑷𝒂

Proceso 2-3 (adición de calor a un gas ideal a presión constante): 𝑷𝟑 = 𝑷𝟐 = 𝟓, 𝟕𝟐 𝑴𝑷𝒂 𝑃2 𝑉2 𝑃3 𝑉3 = 𝑇2 𝑇3 ⇒

⇒

𝑉3 𝑇3 = 𝑇2 ( ) = (953,3 𝐾) × (2) = 1906,6 𝐾 𝑉2

𝑻𝟑 = 𝟏𝟗𝟎𝟔, 𝟔 𝑲

Proceso 3-4 (expansión isentrópica de un gas ideal, calores específicos constantes):

𝑘−1

𝑉3 𝑇4 = 𝑇3 ( ) 𝑉4

⇒

𝑉1 1,4−1 1 1,4−1 = (1906,6 𝐾) × ( 9 ) = (1906,6 𝐾) × ( ) = 791,7 𝐾 𝑉1 9

𝑻𝟒 = 𝟕𝟗𝟏, 𝟕 𝑲

𝑉3 𝑘 1 1,4 𝑃4 = 𝑃3 ( ) = (5,72 𝑀𝑃𝑎) × ( ) = 0,26 𝑀𝑃𝑎 𝑉4 9

⇒

𝑷𝟒 = 𝟎, 𝟐𝟔 𝑴𝑷𝒂

b) RENDIMIENTO TÉRMICO:

𝜂𝑡é𝑟,𝐷𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 = 1 − [

⇒

𝑇4 − 𝑇1 791,7 − 300 ]= 1−[ ] = 0,6316 = 63,16% 𝑘(𝑇3 − 𝑇2 ) 1,4(1906,6 − 953,3)

𝜼𝒕é𝒓,𝑫𝒊𝒆𝒔𝒆𝒍 = 𝟎, 𝟔𝟑𝟏𝟔 = 𝟔𝟑, 𝟏𝟔%

𝜂𝑡é𝑟,𝐷𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 = 1 −

1

𝑟

[ 𝑘−1

𝑟𝑐𝑘 − 1 1 21,4 − 1 ] = 1 − 1,4−1 [ ] = 0,6316 (1,4) × (2 − 1) 𝑘(𝑟𝑐 − 1) 18

= 63,16% ⇒

𝜼𝒕é𝒓,𝑫𝒊𝒆𝒔𝒆𝒍 = 𝟎, 𝟔𝟑𝟏𝟔 = 𝟔𝟑, 𝟏𝟔%

2.3 Análisis de la eficiencia del equipo en base a la cantidad de combustible utilizado: Los motores Diesel operan con relaciones de compresión mucho más altas, por lo que suelen ser más eficientes que los de encendido por chispa (gasolina). Los motores Diesel también queman el combustible de manera más completa, ya que usualmente operan a menores revoluciones por minuto y la relación de

masa de aire y combustible es mucho mayor que en los motores de encendido por chispa.

NUESTRO PLAN DE MEJORA Como empresa tomamos la decisión de implementar de sistemas de energía eolica, todo tomando en consideración la ubicación de la planta minera, ya que se encuentra en un lugar de chile el cual es conocido por sus cielos despejados y sus fuertes vientos, para convertirla en un gran aliado para una mejora eolica Como sabemos chile es una muy buena fuente de energías, de todo tipo eólicas y solares. Energía eólica. Le energía eólica es un tipo de energía renovable cuya fuente es la fuerza del viento. La forma típica de aprovechar esta energía es a través de la utilización de aerogeneradores o turbinas de viento. De estos aerogeneradores se distinguen de dos tipos, eje horizontal y eje vertical, el que usaremos en este caso será horizontal. Para analizar la importancia que posee la energía eólica hay que tener en cuenta todos los eslabones de la cadena que son necesarios para fabricar o para desmontar los aerogeneradores que forman un parque eólico. La explotación de una turbina de 1 MW instalada en un parque eólico puede llegar a evitar 2000 toneladas de dióxido de carbono (CO2), si la electricidad producida ha sido emitida por centrales termoeléctricas. Al tener en cuenta todos los eslabones de la cadena, la energía y los materiales que son necesarios tanto para la fabricación como para el desmantelamiento de las turbinas eólicas puede notarse que el balance de

energía consumida es interesante. Se estudia, además, el ciclo de vida de las turbinas eólicas. Un aerogenerador de 2,5 MW, con una vida útil de unos 20 años en condiciones normales de explotación, puede producir hasta 3.000 MW por año, que alcanza para el consumo de alrededor de 1.000 a 3.000 hogares (según el consumo) por año. La vida útil de una turbina eólica se estima entre los 20 y los 25 años. Partes de un generador eolico: Las palas del rotor: capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. Para hacernos una idea de las dimensiones de una pala, actualmente rondan alrededor de los 30m. Buje: es el elemento que realiza la unión de todas las palas del aerogenerador. Se monta sobre el eje de baja velocidad, desde el que se transmite el par motriz a la transmisión de potencia del aerogenerador. Equipo multiplicador de potencia: permite que el eje de alta velocidad, gire 50 veces más rápidamente que el eje de baja velocidad. Ejes de alta y baja velocidad: el eje de baja velocidad del aerogenerador conecta el buje del rotor al multiplicador. El eje de alta velocidad esta equipado con un freno de disco mecánico de emergencia. Este freno se utiliza en caso de fallo del freno aerodinámico, o durante el proceso de mantenimiento de la turbina. Generador: también conocido como generador asíncrono o de inducción. Está formado por una máquina encargada de transformar la energía mecánica de rotación en energía eléctrica. Se compone de un rotor, que es la parte móvil y encargada de generar un campo magnético variable al girar las palas, y un estator que se trata de la parte fija sobre la que se genera la corriente eléctrica inducida. Controlador: el controlador electrónico tiene un ordenador que continuamente monitoriza las condiciones del aerogenerador y que controla el mecanismo de orientación. En caso de cualquier anomalía, automáticamente se para el aerogenerador y llama al ordenador del encargado (operario), de la turbina a través de un enlace Ethernt o módem

En base a un estudio del terreno y clima, además de cálculos para obtener la cantidad de energía necesaria para la optima operación de la minera. Las variables serán la velocidad y posición del viento, a partir de estos valores se debe hacer un control el cual permita posicionar el aerogenerador y las palas que lo componen.

GENERACIÓN ELÉCTRICA EOLICA Aquí nuestra empresa analizara la cantidad de turbinas eolicas necesarios para una generación de energía determinada, para logar la cantidad de energía solicitada 6 aerogeneradores de 600W, podrán generar anualmente 632.94 kW siendo un aporte considerable en cuanto al consumo actual de la planta.

COSTOS DE IMPLEMENTACIÓN Ya se pudo apreciar que técnicamente si podemos implementar un sistema fotovoltaico para cubrir la mayor parte del consumo energético, ahora analizaremos los costos de implementar un proyecto de esta envergadura. Se puede apreciar a continuación el costo de implementación del sistema de energía renovable no convencional. En estos precios no se considera mano de obra debido a que solo se hace un enfoque en los ellos elementos que hacen posible la generación de energía fotovoltaica.

GENERACIÓN ELÉCTRICA FOTOVOLTAICA Aquí nuestra empresa analizara la cantidad de paneles solares necesarios para una generación de energía determinada, esta simulación solo permite entregar 180 paneles solares, nosotros implementaremos 1960 paneles solares de los cuales podrán generar anualmente 632.94 kW siendo un aporte considerable en cuanto al consumo actual de la planta.

GENERACIÓN MENSUAL DE LA IMPLEMENTACIÓN

Podemos apreciar en esta grafica que la generación de energía se ve un tanto en disminución en los meses de invierno, por lo general no es tan considerable esta baja. Se debe considerar que esta grafica nos muestra una generación de 123.194 kWh de un promedio de 180 paneles, implementando los 1980 paneles la generación total se contempla en un total de 1.355.134 kWh anual. Actualmente el consumo de energía de la empresa alcanza un total de 1.560.685 kWh. Para concluir podríamos decir que implementando energía solar fotovoltaica podríamos aportar con el 86,7% del consumo energético anual de la .

COSTOS DE IMPLEMENTACIÓN Ya se pudo apreciar que técnicamente si podemos implementar un sistema fotovoltaico para cubrir la mayor parte del consumo energético, ahora analizaremos los costos de implementar un proyecto de esta

envergadura. Se puede apreciar a continuación el costo de implementación del sistema de energía renovable no convencional. En estos precios no se considera mano de obra.