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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MANABÍ FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS, FÍSICAS Y QUÍMICAS. CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA

TEMA “ANÁLISIS TERMOECONÓMICO DEL VAPOR SATURADO PRODUCIDO EN UN SISTEMA DE CALDERAS PIRO TUBULAR A PARTIR DE LA COMBUSTIÓN DEL FUEL #6 (BUNKER)”

TRABAJO DE TITULACION PREVIA A LA OBTENCION DEL TITULO DE INGENIERO MECÁNICO

PROFESIONALES EN FORMACIÓN: FERNANDO DAVID NEVÁREZ MACÍAS LUIS ALEJANDRO INTRIAGO ALCIVAR

TUTOR: ANGEL RAFAEL ARTEAGA LINZAN INGENIERO MECÁNICO. MAGISTER EN INGENIERÍA

Portoviejo, Manabí, Ecuador 2017

I

1. Dedicatoria “A todas aquellas personas que a través de los años le han dado sentido a nuestras vidas, por el sólo hecho de existir y estar ahí acompañándonos por los caminos de la vida, los retos y desafíos a los que nos enfrenta cada día.” Agradecido eternamente.

FERNANDO DAVID NEVÁREZ MACÍAS

LUIS ALEJANDRO INTRIAGO ALCIVAR

II

2. Agradecimiento

En primer lugar a nuestros padres, por todo su sacrificio y apoyo para que hoy pudiéramos ser los hombres y profesionales que somos, todo se lo debemos a ellos. A nuestros hermanos por forjarnos un compromiso que jamás podremos romper como un nombramiento y que nos obliga a superarnos a nosotros mismos. A toda nuestra familia, tíos y primos que de una forma u otra también formaron parte y contribuyeron a nuestra formación. A nuestro tutor por ayudarnos siempre en sus valiosas sugerencias y recomendaciones. A nuestros profesores y personas que desde la dirección de la universidad hicieron posible la proeza de enseñarnos y formar el temple de verdaderos profesionales. No pudiéramos dejar de mencionar a los compañeros de aula por soportarnos todos estos años de estudio. A todas aquellas personas que su nombramiento convertiría en interminable el trabajo; pero sin los cuales no hubiese sido posible llegar a graduarnos.

¡Gracias eterna a todos!

FERNANDO DAVID NEVÁREZ MACÍAS

LUIS ALEJANDRO INTRIAGO ALCIVAR III

3. Certificación del Director de Trabajo de Titulación.

CERTIFICACIÓN Quien suscribe la presente señor Ing. ANGEL RAFAEL ARTEAGA LINZAN, docente de la Universidad Técnica de Manabí, de la Facultad de Ciencias Matemáticas Físicas y Químicas; en mi calidad de Tutor del trabajo de titulación “ANÁLISIS TERMOECONÓMICO DEL VAPOR SATURADO PRODUCIDO EN UN SISTEMA DE CALDERAS PIRO TUBULAR A PARTIR DE LA COMBUSTIÓN DEL FUEL #6 (BUNKER)”, desarrollado por los profesionistas: FERNANDO DAVID NEVÁREZ MACÍAS y; LUIS ALEJANDRO INTRIAGO ALCIVAR; en este contexto, tengo a bien extender la presente certificación en base a lo determinado en el Artículo 8 del reglamento de titulación en vigencia, habiendo cumplido con los siguientes procesos: 

Se verificó que el trabajo desarrollado por los profesionistas cumple con el diseño metodológico y rigor científico según la modalidad de titulación aprobada.



Se asesoró oportunamente a los estudiantes en el desarrollo del trabajo de titulación.



Presentaron el informe del avance del trabajo de titulación a la Comisión de Titulación Especial de la Facultad.



Se confirmó la originalidad del trabajo de titulación.



Se entregó al revisor una certificación de haber concluido el trabajo de titulación.

Cabe mencionar que durante el desarrollo del trabajo de titulación los profesionistas pusieron interés en el desarrollo de cada una de las actividades de acuerdo al cronograma trazado. Particular que certifico para los fines pertinentes

Ing. ANGEL RAFAEL ARTEAGA LINZAN TUTOR

IV

4. Informe de revisor del Trabajo de Titulación

Luego de haber realizado el trabajo de titulación, en la modalidad de investigación y que lleva por tema:

“ANÁLISIS TERMOECONÓMICO DEL VAPOR SATURADO

PRODUCIDO EN UN SISTEMA DE CALDERAS PIRO TUBULAR A PARTIR DE LA COMBUSTIÓN DEL FUEL #6 (BUNKER)”, desarrollado por los señores:

FERNANDO DAVID NEVÁREZ MACÍAS con cédula No. 131577694-6 y; LUIS ALEJANDRO INTRIAGO ALCIVAR con cédula No. 131221282-0, previo a la obtención del título de INGENIERO MECÁNICO, bajo la tutoría y control del señor Ing. ANGEL RAFAEL ARTEAGA LINZAN docente de la Facultad de Ciencias Matemáticas, Físicas y Químicas y cumpliendo con todos los requisitos del nuevo reglamento de la Unidad de Titulación Especial de la Universidad Técnica de Manabí, aprobada por el H. Consejo Universitario, cumplo con informar que en la ejecución del mencionado trabajo de titulación, sus autores: 

Han respetado los derechos de autor correspondiente a tener menos del 10 % de similitud con otros documentos existentes en el repositorio.



Han aplicado correctamente el manual de estilo de la Universidad Andina Simón Bolívar de Ecuador.



Las conclusiones guardan estrecha relación con los objetivos planteados.



El trabajo posee suficiente argumentación técnica científica, evidenciada en el contenido bibliográfico consultado.



Mantiene rigor científico en las diferentes etapas de su desarrollo.

Sin más que informar suscribo este documento NO VINCUILANTE para los fines legales pertinentes.

Firma: Ing. Efrén Baldemiro Pico Gómez. REVISOR DEL TRABAJO DE TITULACION

V

5. Declaración sobre derechos de autores

Quienes firmamos la presente, profesionistas; FERNANDO DAVID NEVÁREZ MACÍAS Y; LUIS ALEJANDRO INTRIAGO ALCIVAR, en calidad de autores del trabajo de titulación realizado sobre “ANÁLISIS TERMOECONÓMICO DEL VAPOR SATURADO PRODUCIDO EN UN SISTEMA DE CALDERAS PIRO TUBULAR A PARTIR DE LA COMBUSTIÓN DEL FUEL #6 (BUNKER)”, hacer uso de todos los contenidos que nos pertenecen o de parte de los que contienen este proyecto, con fines estrictamente académicos o de investigación. Los derechos que como autores nos corresponden, con excepción de la presente autorización, seguirán vigentes a nuestro favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5, 6 ,8 ,19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento. Así mismo las conclusiones y recomendaciones constantes en este texto, son criterios netamente personales y asumimos con responsabilidad la descripción de las mismas

FERNANDO DAVID NEVÁREZ MACÍAS AUTOR

LUIS ALEJANDRO INTRIAGO ALCIVAR AUTOR

VI

6. Índice 1.

Tema: ........................................................................................................................... - 1 -

1.1.

Localización del proyecto .......................................................................................... - 1 -

1.1.1. Macro localización...................................................................................................... - 1 1.1.2. Micro localización....................................................................................................... - 1 1.2.

Antecedentes ............................................................................................................... - 2 -

1.2.1. Descripción de la realidad problemática .................................................................. - 5 1.3.

Formulación ................................................................................................................ - 6 -

1.4.

Justificación ................................................................................................................ - 6 -

1.5.

Delimitación de la investigación ................................................................................ - 9 -

1.5.1. Delimitación espacial .................................................................................................. - 9 1.5.2. Delimitación temporal ................................................................................................ - 9 1.6.

Hipótesis ...................................................................................................................... - 9 -

1.7.

Visualización del alcance del estudio ........................................................................ - 9 -

1.7.1. Aporte económico ........................................................................................................ - 9 1.7.2. Aporte social............................................................................................................... - 10 1.7.3. Aporte científico ......................................................................................................... - 10 1.8.

Objetivos ................................................................................................................... - 10 -

1.8.1. Objetivo general ....................................................................................................... - 10 1.8.2. Objetivos específicos................................................................................................. - 10 CAPÍTULO II. MARCO REFERENCIAL ............................................................................ - 10 2.1.

Caracterización del sistema de generación de vapor para el proceso de elaboración de conservas de atún en latas................................................................................... - 10 -

2.1.1. Caracterización del sistema ..................................................................................... - 10 2.1.2 Tanque de almacenamiento de combustible. ............................................................ - 12 2.1.3 Bomba de trasiego de combustible. ............................................................................ - 14 2.1.4 Tanque de diario de combustible ............................................................................... - 14 -

VII

2.1.5 Bomba de alimentación de combustible .................................................................... - 15 2.1.6. Precalentador líneas de retorno del combustible..................................................... - 16 2.2. Alimentación de Agua ................................................................................................... - 16 2.2.1. Tanque de alimentación de Agua de la caldera. ...................................................... - 16 2.2.2 Bomba de alimentación de Agua de la caldera ......................................................... - 17 2.3 Generación de vapor ...................................................................................................... - 18 2.3.1 Caldera pirotubular .................................................................................................... - 18 2.4 Distribución de vapor ..................................................................................................... - 19 2.4.1 Distribuidor de vapor .................................................................................................. - 19 2.4.2 Tuberías de distribución de vapor ............................................................................. - 20 2.5 Estado actual de los estudios termo económicos en la industria, particularidades en los sistemas de generación a vapor. .............................................................................. - 22 2.6. Importancia de los sistemas de generación de vapor en la industria de producción de alimentos. .................................................................................................................. - 26 2.7. Principales portadores energéticos utilizados en los sistemas de generación de vapor en la industria de conservas. ......................................................................................... - 29 2.7.1. Agua de alimentación. ................................................................................................ - 30 2.7.2. Combustible. ............................................................................................................... - 33 2.7.3. Energía Eléctrica. ....................................................................................................... - 37 2.8.

Metodología de análisis energéticos y exergoeconómicos en sistemas de generación a vapor para procesos industriales alimenticios. ................................................... - 40 -

2.8.1. Teoría de balance general. ....................................................................................... - 41 2.8.2. Balances de masa, energía y energía. ...................................................................... - 42 2.8.3. Pérdidas totales de exergía ...................................................................................... - 46 2.8.4. Costo exergético unitario ......................................................................................... - 47 2.8.5. Balance termoeconómico ......................................................................................... - 47 CAPITULO III. COSTO TERMOECONÓMICO DEL SISTEMA DE GENERACION DE VAPOR. ..................................................................................................................... - 50 3.1 Elaboración del diagrama funcional de proceso.......................................................... - 50 VIII

3.2 Elaboración de recipientes recolectores de condensado. ............................................ - 50 3.3 Recolección de condensado de cada equipo del proceso. ............................................ - 50 3.4 Medición de parámetros de materia prima.................................................................. - 51 3.5 Aplicación de la metodología termoeconómica ............................................................ - 51 3.5.1 Sistema de alimentación de agua. .............................................................................. - 51 3.5.1.1 Tanque de alimentación de agua ............................................................................. - 51 3.5.1.2 Bomba de agua de alimentación.............................................................................. - 54 3.5.2 Caldera pirotubular ................................................................................................. - 59 3.5.3. Subsistema de distribución de vapor ........................................................................ - 75 3.5.3.1. Tubería de alimentación de vapor de tanque de almacenamiento de combustible .... - 77 3.5.3.2. Válvula reductora de presión. .................................................................................... - 83 3.5.4. Sistema de alimentación de combustible ...................................................................... - 84 3.5.4.1. Tanque de almacenamiento de combustible .............................................................. - 85 3.5.4.2. Bomba de combustible de trasiego ............................................................................ - 89 3.5.4.3. Tubería de trasiego de combustible GVF3-GVF3’ ................................................... - 93 3.5.4.4. Tanque alimentación ................................................................................................. - 95 3.5.4.5. Bomba de combustible diario .................................................................................... - 98 3.5.4.6. Precalentador de combustible .................................................................................. - 106 Conclusiones ....................................................................................................................... - 110 Recomendaciones ............................................................................................................... - 111 Presupuesto ......................................................................................................................... - 112 Cronograma ............................................................................................................................ 113 Bibliografía............................................................................................................................... 114 Anexo 1 .................................................................................................................................... 121 Anexo 2 .................................................................................................................................... 122 Anexo 3 .................................................................................................................................... 123 Anexo 4 .................................................................................................................................... 124 IX

7. Resumen

Alrededor del 40% del consumo de energía de las industrias dedicadas a la producción de alimentos es utilizado en la producción de vapor, con una incidencia importante en las emisiones ambientales de efecto invernadero, por lo que el manejo confiable tanto tecnico como economico del sistema de generacion de vapor, es de suma importancia, por lo que la realizacion de analisis energeticos que contribuyan al aumento de la eficiencia general del sistema, sera clave para el desarrollo de planes de mejora continua y el propio desarrollo de la industria. El trabajo presenta el procedimiento para la realización de un análisis termoeconómico del vapor saturado producido en un sistema de calderas piro tubular a partir de la combustión del bunker, donde se muestra el marco teórico de la investigación. Se expone un análisis conceptual del tema estudiado mediante la caracterización del sistema de generación de vapor para el proceso de elaboración de conservas de atún en latas, estudiando cada uno de los componentes técnicos que intervienen en el proceso de la producción de vapor. Se analiza el estado actual de los estudios termo económicos en la industria, particularidades en los sistemas de generación a vapor y su importancia para la industria. Se analizan los principales portadores energéticos que intervienen en la producción de vapor y se expone la metodología de análisis energéticos y exergoeconómicos en sistemas de generación a vapor para procesos industriales alimenticios. Se aborda lo relacionado con la termoeconómica y su aplicación en cada uno de los componentes del sistema. Finalmente se muestran las conclusiones y recomendaciones del trabajo.

X

8. Abstract

XI

CAPÍTULO I 1. Tema: “ANÁLISIS TERMOECONÓMICO DEL VAPOR SATURADO PRODUCIDO EN UN SISTEMA DE CALDERAS PIRO TUBULAR A PARTIR DE LA COMBUSTIÓN DEL FUEL #6 (BUNKER)” 1.1.Localización del proyecto 1.1.1. Macro localización En la figura 1.1 se muestra la macro localización del proyecto

Figura 1.1. Mapa con la macro localización del proyecto Fuente: Elaboración propia con información de Google Map.

1.1.2. Micro localización La figura 1.2 muestra la micro localización donde se realizará el proyecto, específicamente en una de las mayores empresas multinacionales de elaboración de

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conservas de atún en latas del Ecuador, misma que se encuentra ubicada en la parroquia “los esteros” del cantón Manta.

Fábrica de Atún en conserva

Ciudad de Manta

Figura 1.2. Mapa con la micro localización del proyecto Fuente: Elaboración propia con información de Google Map

1.2.Antecedentes Las conservas de atún en latas, cuenta entre los productos más exportados para el período 2007-2016 con un crecimiento promedio anual del 13,27%, situandose entre tres mayores exportadores con el 9,74% a nivel mundial, superado por Tailandia y China, lo cual represento un benefico para el paais por concepto de exportaciones de USD 812 millones en el 2016 (MCE 2017). Este crecimiento economico de la industria, involucra un aumento del numero de empresas del sector y de la capacidad de las ya existentes, ademas de una mayor demanda de energia para el proceso. Esta situacion se puede apreciar en países industrializados como México, donde la tercera parte de la energía utilizada a nivel nacional es destinada a la industria, y de ésta cerca del 70% proviene de combustibles de origen fósiles. (CONAE 2002). A diferencia de los países industrializados, en el Ecuador el 19% de la energía total producida es destinada a la producción industria, situando al sector como el segundo mayor consumidor de energía en el Ecuador, superado solo por el sector de transporte con el 46% (MCSE 2016). -2-

Del total de la energía consumida por la industria, el bunker se ubica en el cuarto lugar con el 10% de participación, por debajo del diésel, electricidad y, productos de caña, con el 38%, 31% y 13% respectivamente (MCSE 2016), considerando que la electricidad consumida en el Ecuador el 100% es producida mediante centrales hidroeléctricas y, además que los productos de caña son desechos de la caña de azúcar utilizada en los ingenios azucareros, nos deja como conclusión, que los elementos combustibles a estudiar y optimizar por ser importados, altamente contaminantes y de origen fósil, son el diésel y bunker. De acuerdo a (Matteini 2014) entre el 35 al 40% del consumo energético en una planta industrial es utilizado íntegramente en su sistema de generación de vapor, considerando ademas, que en la industria atunera el vapor se genera integramente mediante la combustion del fuel oíl (Bunker), se determina a este combustible como el segundo mayor portador energético en la industria de elaboración de conservas de atún en latas (Arteaga, Fernández et al. 2017). Estos sistemas de generacion de vapor en la industria de elaboración de conservas de atún en latas, estan compuestos prinicipalmente por una caldera pirotubular, la cual provee la cantidad y calidad necesaria de vapor, el cual es el medio más idóneo de transporte del calor demandado por los diferentes procesos, tales como cocción, empaque, esterilizado, etiquetado y encartonado, para convertir al atún en un producto terminado (Avadí, Bolaños et al. 2015). En vista de lo anterior, un manejo confiable tanto tecnico como economico del sistema de generacion de vapor, es de suma importancia para la industria de elaboracion de conservas de atun en latas, por lo cual la realizacion de analisis energeticos que contribuyan al aumento de la eficiencia general del sistema, sera clave para el desarrollo de planes de mejora continua, esto de acuerdo a lo expresado por (Frias 2016), el cual sostiene que en estos sistemas gracias a los diagnósticos energéticos, se han encontrado grandes potenciales de ahorro en la generación y distribución de vapor, que van desde 5 hasta 20% del consumo de combustible. Esta necesidad de elevar la eficiencia general de los procesos, conlleva a la modernización de su infraestructura energética, para lo cual se requiere transitar por un proceso de estudio económico, tomando como base el diagnóstico y optimización de los diferentes subsistemas que integran un sistema de producción de vapor (Matteini 2014).

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Para este proceso de optimizacion existen varios metodos y tecnicas ampliamente estudiados, siendo la termoeconomia una de las opciones mas viables y funcionales cuando se requieren analisis que involucren la economia con la energia util de un sistema, como se ha demostrados en varios proyectos aplicados a este fin (Goran, Mirko et al. 2014), (Tsatsaronis 1993), (Marc.A. Rosen and Dincer 2002). Los analisis termoeconomicos son ampliamente utilizados para los análisis termodinámicos y económicos de los sistemas industriales de energía en la búsqueda de posibilidades de mejoras relacionadas con el consumo de energía (Goran, Mirko et al. 2014) los cuales se constituyen en una poderosa herramienta para la identificacion y cuantificacion de las irreversibiliddes totales de cad componetes y del sistema en general. El elemento más característico de este análisis es la asignación de los costos de la exergía (Tsatsaronis 1993), que permite ademas asignarle costos a las perdidas e ineficiencias que perjudican al ambiente como emisiones de CO2, efluentes, entre otras (Agudelo, Valero et al. 2012). De acuerdo a la revision bibliografica, se pudo determinar el importante aporte que los analisis termoeconomicos han realizado a los sitemas de generacion de vapor, tanto en el area de generacion de potencia como para los procesos industriales. Entre los cuales destacan (Marc.A. Rosen and Dincer 2002), donde evalua exergoeconomicamente el impacto del uso de varios combustibles en una planta de generacion de potencia en la india, (Franco and Russo 2001), optimizacion termoeconimcamente un generador de vapor acutotubular, el cual busca determinar el impacto de la exergia destruida por el generador de vapor sobre el total destruido, (Torres, Salazar et al. 2011) en el cual se concluyó que con la utilización del analisis termoeconomico, se pueden obtener ahorros de energia primaria (combustible), y como consecuencia un menor impacto al ambiental, (Goran, Mirko et al. 2014) realizan una profunda evalaucion exergoeconomica a un sistema de servicios industriales, el cual proporciona vapor, agua para calefaccion y aire comprimido a un complejo industrial productor de caucho. Como resultado de lo anterior expuesto, se puede apreciar que los análisis termoeconómicos han sido ampliamente utilizados en la generación de potencia y en varios proceso industriales, pero en la industria de elaboración de alimentos y especialmente en la de conservas de atún en latas, se han reportado escasos trabajos realizados por, (Avadí and Freón 2013), (Avadí, Bolaños et al. 2015) donde se determina el ciclo de vida del proceso del atún en una de las principales industrias conserveras de -4-

atún ecuatoriana, (Jimenez and S 2015) realizan un trabajo buscando optimizar el uso del vapor en el proceso de elaboración de conservas de atún en la industria peruana, mediante la recuperación del calor del consensado de los esterilizadores, (Taboada, Magan et al. 2016) realizan evaluaciones exergéticas a cada etapa del proceso de elaboración de conservas de atún en latas, en una de la principales empresas conserveras españolas y, finalmente (Arteaga, Fernández et al. 2017) desarrollan una metodología de evaluación del sistema de generación de vapor del proceso de elaboración de conservas de atún en latas, en una de las principales procesadoras y exportadoras de atún en el Ecuador. Planteamiento del problema 1.2.1. Descripción de la realidad problemática De acuerdo a cifras oficiales del Banco Central del Ecuador, actualmente el petróleo representa el 55% de las ventas totales y el 17% de la producción exportada corresponde a bienes industrializados (Méndez 2015), en vista de lo anterior se puede concluir, que la matriz productiva del Ecuador se fundamental en gran medida en las exportaciones de su producción petroleras, razón por lo cual una alza o baja de los precios internacionales de este producto, definirá una etapa de bonanza o austeridad del país. La producción petrolera en el Ecuador, de acuerdo a (MCSE 2016) en el 2007 existían 86 campos en producción, de los cuales, el 44% del total de la producción se concentra en 6 campos, lo preocupante de esto es que 5 de ellos, específicamente los campos Edén Yuturi, Shushufindi, Palo Azul, Dorine y Villano, están declinando su nivel de extracción. Por tal razón y de acuerdo al banco central del Ecuador, las exportaciones no petroleras han experimentado un repunte en sus exportaciones, donde los cinco productos que mayor participación registraron en a las exportaciones durante el 2015 fueron el banano, camarón, enlatados de pescado, flores naturales y cacao (Méndez 2015). Dentro de estos sectores la industria de elaboración de enlatados de pescado y lomos, represento el 8,71% de la exportaciones no petroleras del Ecuador durante el periodo comprendido entre el 2010 – 2016, considerando además que la industria del atún representa el 65,48% de las divisas generadas en el sector pesquero en el mismo periodo (MCE 2017), lo cual la convierte en una de las principales fuentes de exportaciones no petroleras del Ecuador.

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En la industria de elaboración de enlatados de pescado y lomos, el vapor saturado aparece como uno de los principales portadores energético de su proceso industrial, y para su generación estas industrias cuentan generalmente con una caldera de tipo piro tubular, que normalmente funcionan con quemadores de combustibles fósiles como son el Bunker y/o Diésel. El uso de combustibles fósiles en el proceso de producción del vapor tiene un elevado costo ambiental si se toma en cuenta que los mismos provienen de fuentes no renovables. Esta situación unida a la gran cantidad de equipos instalados con elevados grados de sobredimensionamiento y baja eficiencia provoca que la generación de vapor contribuya de manera negativa al impacto ambiental por concepto de emisiones de CO2 (Jimenez, Madrigal et al. 2016). Por lo tanto, mejorar la eficiencia del sistema de generación de vapor, destinado al proceso de elaboración de conservas de atún en latas es clave, no solo por la disminución del uso de portadores energéticos, sino también por la reducción de las emisiones de gases contaminantes. A pesar de todo lo expuesto, las investigaciones realizadas sobre los sistemas de generación de vapor para usos en procesos industriales alimenticios, resultan aún insuficientes, donde la industria de elaboración de conservas de atún en latas no es la excepción, lo cual dificulta la optimización de los mencionados sistemas., y es en este contexto que surge la termoeconomía como una herramienta que permitirá calcular y optimizar los costos termoeconómicos del vapor, aumentando la eficiencia global del sistema y obteniendo así productos de alta calidad y competitivos a nivel nacional e internacional. 1.3.Formulación Considerando lo planteado anteriormente el problema se expresa de la siguiente manera: ¿En qué medida los costos termo económicos del vapor saturado producido en un sistema de caldera piro tubular, incide en el ahorro energético de las industrias?

1.4.Justificación La industria del atún es la principal actividad del sector pesquero industrial del Ecuador; la cual en sus tres fases de, captura, procesamiento y comercialización ha -6-

logrado cumplir, con las regulaciones y estándares de calidad e inocuidad sanitaria, tanto en la normativa nacional (INEN, MAG, INP), como en lo relacionado con las normas internacionales (OMC, CIAT, FDA, OMS, FAO, ISO, DOLPHIN SAFE, HALAL, IFS, BRC, KOSHER, entre otras), y de igual manera con las normativas relacionadas con el ambito laboral de toda su cadena productiva, como la organización internacional del trabajo (MCE 2017), lo cual muestra la confiabilidad y prestigio, que la industria atunera ecuatoriana posee actualmente en los mercados nacionales e internacionales, lo cual se enmarca en los récords históricos de sus exportaciones de los últimos años. De igual manera según (MCE 2017), se estima que entre la captura y procesamiento, la industria genera un promedio de 24.000 puestos de trabajo directos, de los cuales al menos el 53% de las personas empleadas en plantas procesadoras de atún son mujeres, ademas genera alrrededor de 120.000 puestos de trabajos indirectos entre toda la cadena de valor del atún. En el año 2016 el Ecuador fue el tercer exportador de conserva y lomos de atún a nivel mundial, con un porcentaje de participación del 9,74%, después de Tailandia y China. No obstante, en ese mismo año, la industria de atún en conserva ecuatoriana, logro ocupar el segundo lugar en las exportaciones mundiales, con una participación del 12,13%. En vista de los anterior y por tratarse de un alimento sano, listo para consumir y fácil de preparar, por poseer un adecuado sistema de trazabilidad y de excelente calidad, y además en algunos casos un eco etiquetado, el consumo de atún a nivel internacional tiende a incrementarse (MAAMA 2015). En vista de todo lo analizado, se puede apreciar que las exportaciones de la industria de conservas de atún ecuatorianas, tienen la capacidad de aprovechar el incremento de la demanda mundial de atún, aumentando su participación en los mercados nacionales e internacionales; debido a que la calidad organoléptica del atún ecuatoriano es única, ya que al ser extraído del océano pacifico oriental (OPO) tiene una característica especial, superior a la del Océano Pacífico Central y Occidental (OPCO), por la presencia de corrientes de agua fría que inciden en el desarrollo de la musculatura del animal, así como por la apropiada manipulación de las capturas ecuatorianas, que hacen que la materia prima sea de calidad (EUA 2016). Este incremento de las exportaciones de la industria atunera ecuatoriana, repercutirá en un mayor consumo de sus diferentes flujos energéticos, como es el caso del vapor que -7-

se constituye en uno de sus principales portadores energéticos, un ejemplo de esto son los Estados Unidos de América, en el cual su industria procesadora de alimentos destina el 57% de su energía para la producción de vapor. El combustible más usado en los sistemas de generación de vapor en las indusrtrias conserveras es el combustible Bunker (Fuel oil # 6). Este normalmente proviene de la primera etapa del proceso de refinación (destilación atmosférica), de aspecto viscoso y con alto contenido energético, lo cual lo hace apto para ser usado en calderas, hornos y para las plantas de generación eléctrica (RECOPE 2011). De acuerdo (Torres 2015) el combustible bunker es de muy baja calidad, altamente contaminante, sucio, problemático en su manejo y demanda mucho mantenimiento, ademas que no se puede quemar sin la asistencia de fluidos atomizantes (vapor- aire comprimido) y una llama piloto de G.L.P. Requiere de un precalentamiento en dos etapas, uno a 35°C para bombearlo hasta el quemdor y un segundo hasta 100°C para poderlo combustionar al hogar de la caldera. En vista de los cual está prohibido su uso en muchas zonas de la República Mexicana por su alto contenido de azufre. A esto se suma el crecimiento de las importaciones de combustibles derivados de petróleo en el Ecuador, el cual aumento en 12,5% durante el periodo 2000-2012 , lo que representa mayores egresos de divisas. De acuerdo a la Agencia Pública de Noticias del Ecuador y Suramérica ANDES, en el 2012 el subsidio de combustibles costó al Ecuador USD 3.405,66 millones, y esto a su vez impacto negativamente en la dolarizada economía del país (Muñoz 2013). Ahora los análisis realizados en numerosas empresas, ponen de manifiesto el insuficiente nivel de gestión energética existente en los sistemas de generacion de vapor, así como las posibilidades de reducir los consumos y costos energéticos, mediante la creación de las capacidades técnico organizativas para administrar eficientemente la energía (Arteaga, Fernández et al. 2017). Por lo expuesto anteriormente, resulta importante el estudio e implementación de metodologías de análisis energéticos de dichos sistemas, que promuevan el manejo eficiente del sistema de generación y distribución de vapor de los sistemas energéticos industriales, por tal motivo, surge la termoeconomía como una herramienta que analiza tanto equipos como el proceso en general,

tomando en cuenta factores físicos,

económicos, biológicos y sociales, que permite ademas cuantificar e identificar las irreversibilidades de los procesos a través de la función exergética (Núñez and Oliva 2012). -8-

Razón por la cual el estudio termoeconómico del vapor saturado producido en un sistema de calderas piro tubular a partir de la combustión del fuel #6 (bunker), constituye una importante contribución en la necesidad de reducir los costos en consumo de combustibles y la mejora de la eficiencia de las calderas. Además, de acuerdo a los estándares internacionales vigentes, relacionados con la contaminación ambiental, debe incurrirse en un gran desembolso económico para el tratamiento de los gases de combustión, sin que esto reporte una disminución en los costos de producción. 1.5.Delimitación de la investigación 1.5.1. Delimitación espacial La Investigación de este trabajo se desarrollará en una fábrica de conservera de atún en latas, ubicada en la parroquia “los esteros” del cantón Manta, provincia de Manabí, Ecuador. 1.5.2. Delimitación temporal Para el desarrollo del proyecto, se considerará información existente del 2017 y su desarrollo estará en base al cronograma valorado. 1.6.Hipótesis El análisis determinará la medida en la cual los costos termo económicos del vapor saturado producido en un sistema de caldera piro-tubular incidirá en el ahorro energético y económico de las industrias. VARIABLE DEPENDIENTE: Costo termo económico del vapor saturado VARIABLE INDEPENDIENTE: Combustión del fuel #6 (BUNKER)

1.7.Visualización del alcance del estudio Basado en el análisis de los beneficios que reporta el proyecto se puede deducir que el trabajo de investigación, ha producido impactos económico, social y científico que resultan positivos para la industria y la sociedad. 1.7.1. Aporte económico El estudio termo económico del vapor saturado permitió deducir la destrucción de exergía y las pérdidas del sistema de generación de vapor, lo cual permitiría encontrar soluciones técnicas que permiten reducir los costos energéticos en la producción de vapor, -9-

disminuir la anergia del vapor generado, logrando un producto más competitivo, que equivale a obtener mayores ganancias de liquidez económica para la empresa. 1.7.2. Aporte social El estudio del costo exergético del vapor saturado producido en un sistema de caldera piro tubular, permitió reducir el uso de combustible reducir el consumo por unidad de vapor generada, lo que equivale a disminuir las emisiones de CO2 a la atmósfera, fortaleciendo la imagen ambiental de la empresa ante la sociedad. 1.7.3. Aporte científico El estudio termo económico del vapor saturado, constituye un aporte importante a la carrera de Ing. Mecánica y puede servir de guía metodológica a otras investigaciones que se realicen sobre la termo economía de los sistemas energéticos industriales. 1.8.Objetivos 1.8.1. Objetivo general Analizar el costo termo económico del vapor saturado producido en un sistema de caldera pirotubular a partir del bunker. 1.8.2. Objetivos específicos  Elaborar la situación diagnóstica del sistema objeto de estudio.  Determinar el lugar, la magnitud y la fuente de las irreversibilidades termodinámicas en el sistema energético de un generador de vapor para la industria atunera.  Calcular el costo termo económico de la generación de vapor saturado y el costo de las irreversibilidades del sistema analizado  Desarrollar una aplicación informática CAPÍTULO II. MARCO REFERENCIAL 2.1. Caracterización del sistema de generación de vapor para el proceso de elaboración de conservas de atún en latas 2.1.1. Caracterización del sistema Este trabajo se realizó, en una de las mayores empresas procesadoras de conservas de atún en latas del Ecuador, donde los equipos utilizados en dicho proceso de acuerdo a - 10 -

(Jimenez and Seijas 2015), son similares en todas las plantas de conserveras a nivel mundial, diferenciándose únicamente en las especies marinas que procesan y en su capacidad de producción. En función de lo anterior, en lo que respecta a los equipos que intervienen en el sistema de producción, se elaboró el diagrama funcional del sistema de generación de vapor de la industria de elaboración de conservas de atún en latas, él mismo que constituye el corazón de la industria moderna y se divide en los siguientes subsistemas. 

Alimentación de combustible.



Alimentación de agua.



Generador de vapor.



Distribución de vapor. A continuación, en función de la figura 2.1 se especificarán las principales

características técnicas y operativas de los subsistemas arriba citados.

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Figura 2.1. Subsistemas Fuente: Elaboración propia

2.1.2 Tanque de almacenamiento de combustible. El combustible bunker (fuel oíl No. 6) ingresa al sistema a 40°C (GVF1), proveniente de la empresa estatal Petrocomercial ubicada en la provincia del Guayas, mediante la utilización de tanques cisterna debidamente adaptados para el transporte de este tipo de combustibles residuales. A su llegada a la empresa objeto de estudio, este combustible se deposita en tanques de almacenamiento metálicos con capacidad para 25000 galones cada uno, es importante resaltar, que estos cuentan con sistemas de calefacción a vapor totalmente automatizados (GVV3´´), con el objetivo de mantener la temperatura del mismo a 54,8°C (ver figura 2.2 y 2.3), lo cual permitirá, obtener una viscosidad de 175,7 cSt adecuada para su correcto trasiego (GVF2) hacia el tanque de alimentación de combustible de la caldera (TDC) (Nieto, Ferro et al. 2006)

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Figura 2.2. Tanque de almacenamiento metálico N0 2

Figura 2.3. Tanque de almacenamiento metálico No 3

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2.1.3 Bomba de trasiego de combustible. La bomba de trasiego de engranajes (BF1) de 10 HP de potencia (figuras 2.4 y 2.5), es la encargada del bombeo del combustible desde el tanque de almacenamiento (TAC) a través de la tubería de trasiego (GVF3-GVF3´) hasta el tanque de alimentación (TDF), la cual está constituida de una aleación de acero al carbono célula 40 sin costura, con un diámetro de 3” y 150 metros de longitud.

Figura 2.4. Bomba de trasiego de engranajes

2.1.4 Tanque de diario de combustible El tanque diario de combustible (TDF), es un tanque metálico horizontal con capacidad para 2000 galones de combustible, cuyas dimensiones físicas son 2 metros de diámetro y 5 metros de longitud (figura 2.5); tiene tres funciones básicas, alimentar constantemente de combustible a la caldera, recibir el retorno de combustible proveniente de la caldera a través de la tubería de retorno ( GVF7-GVF7´),y finalmente mediante su sistema automático de calefacción a vapor, mantener la temperatura del combustible a 53°C, esto último con el objetivo de facilitar su traslado hacia el quemador, y especialmente obtener una combustión completa en el hogar de la caldera.

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Figura 2.5. Tanque diario de combustible

2.1.5 Bomba de alimentación de combustible La bomba de alimentación de combustible marca viking modelo xls del tipo eje libre (BF2) de 0,434 HP potencia, es la encargada de alimentar constantemente de combustible al quemador de la caldera (GV), de acuerdo a lo mostrado en la figura 2.6

Figura 2.6. Bomba de alimentación de combustible

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2.1.6. Precalentador líneas de retorno del combustible El precalentador de combustible (PF) es un elemento fundamental para la correcta y eficiente operación de la caldera (figura 2.7), debido a que este recibe el flujo de combustible (GVF5) proveniente de la bomba de combustible (BF2) a 53°C, y eleva su temperatura hasta 88 °C a la salida del mismo (GVF6), gracias a la acción del vapor que ingresa al calentador (GVV5´´) y entrega su calor latente de condensación al combustible, asegurando de esta manera que el flujo de combustible (GVF8) que llega al quemador de la caldera, tenga la viscosidad necesaria para su correcta atomización y eficiente combustión, donde el excedente de combustible (GVF7) retornara por la tubería de retorno (GVF7-GVF7´) al tanque diario. (TDF).

Figura 2.7. Precalentador de líneas de retorno

2.2. Alimentación de Agua 2.2.1. Tanque de alimentación de Agua de la caldera. El flujo de agua (GVA1) ingresa al tanque de alimentación de agua de la caldera (TD), este tanque aislado térmicamente con lana de vidrio de una 1” de espesor y una cubierta metálica de aluminio, tiene una capacidad de 3 m3 , cuyas dimensiones físicas son 1,5 metros de diámetro y 2,5 metros de longitud; gracias a su sistema de calefacción a vapor ( GVV4´´) mantiene la temperatura del agua a 53°C, se encuentra a una altura de - 16 -

3 metros con el objetivo de prevenir la cavitación del agua en la entrada de la bomba de alimentación (BA) (figura 2.8).

Figura 2.8. Tanque con aislamiento térmico

2.2.2 Bomba de alimentación de Agua de la caldera El flujo de agua (GVA2) proveniente del tanque de alimentación de agua de la caldera (TD), ingresa a la bomba de alimentación de la caldera (BA) de 3”x2 ½” y 10HP (figura 2.9), tiene como única función la de proveer del flujo suficiente de agua (GVA3) a la caldera, a (10.444 BAR) presión superior a la de operación de esta última, con el objetivo de vencer la contrapresión interna de la misma. (mesny 1997)

Figura 2,9. Bomba de alimentación de agua de caldera

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2.3 Generación de vapor 2.3.1 Caldera pirotubular El elemento central del sistema de generación de vapor, lo constituye la caldera pirotubular horizontal marca Cleaver Brooks de 4 pasos, modelo CB-600 (figura 2.10), a continuación, se detallan sus principales componentes. 

Quemador



Ventilador de tiro forzado



Compresor de aire



Control de nivel de agua El quemador es el elemento de máquina que tiene como función principal,

abastecer de combustible al hogar de la caldera (figura 2.11); este combustible proveniente del calentador (GVF8), es pulverizado por la acción combinada de la boquilla atomizadora y el aire comprimido (GVAC) proveniente del compresor de aire (CA), con el objetivo, de que este se mezcle estequiometricamente con el aire de combustión suministrado por el ventilador de tiro forzado (VTF), para luego inflamarse con la acción del electrodo de ignición accionado por el programador del equipo, y producir así la reacción química de oxidación del combustible denominada combustión. El calor generado por la combustión anteriormente descrita, se transmite mediante las tres formas de transferencia de calor conocidas (radiación, conducción y convección respectivamente), a los tubos de fuego y finalmente al agua de alimentación que los rodea, obteniéndose finalmente el cambio de fase del líquido a vapor, es importante acotar también que el ingreso del agua de alimentación ( GVA2) es gobernada y/o modulada por el control de nivel, el cual enciende y apaga la bomba de alimentación (BA).

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Figura 2.10. Caldera pirotubular horizontal marca Cleaver Brooks

Figura 2.11. Quemador

2.4 Distribución de vapor 2.4.1 Distribuidor de vapor El distribuidor de vapor (DV) (ver figura 2.12) es elemento que se encarga de recibir el vapor proveniente de la caldera pirotubular, y distribuirlo hacia los distintos equipos e instalaciones componentes del sistema, y al proceso de elaboración de conservas de atún en latas objeto de este estudio. El distribuidor de vapor analizado, consta de 3 metros de largo con un diámetro interior de 0,75 metros, y se encuentra aislado - 19 -

térmicamente con lana de fibra vidrio de 2 “de espesor, está recubierto por planchas metálicas de aluminio de ¼” de espesor, como protección al ataque de las condiciones ambientales y operacionales existentes en la sala de calderas. En la parte inferior se ubica una trampa de condensado de flotador, la cual retira constantemente el líquido de condensación formado por la transferencia de calor desde las paredes hacia el medio circundante, asegurándose de esa manera, que el vapor entregado a los equipos e instalaciones antes mencionados estará siempre en condiciones de saturación. Figura 2.12. Distribuidor de vapor

2.4.2 Tuberías de distribución de vapor

El sistema de generación de vapor consta de una extensa red de tuberías, las cuales tienen como objetivo principal, proveer de vapor a los distintos equipos e instalaciones consumidores de energía térmica, necesaria para el calentamiento de los principales portadores energéticos que interviene en el sistema (agua y combustible). El sistema de generación de vapor objeto de estudio, está compuesta por la siguiente de red de tuberías. 

Tubería de entrada al distribuidor de vapor

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Tubería de calentamiento de tanque de alimentación



Tubería de calentamiento de tanque de almacenamiento



Tubería de calentamiento de tanque de desaereador



Tubería de calentamiento de precalentador de combustible - 20 -



Tubería de Salida de vapor al proceso productivo Los parámetros termodinámicos (presión y calidad) del vapor en el distribuidor

objeto de estudio, se consideraron los mismos que los de operación de la caldera, debido que en la tubería de entrada al distribuidor de vapor (GVV1), las caídas de presión por fricción (tuberías y accesorios) y de temperatura (transferencia de calor hacia el medio ambiente) se considera despreciable, por la pequeña distancia entre ambos. Debido a la importancia del pre calentamiento del agua de alimentación (GVA1), el tanque de alimentación de agua (TD) consta de un sistema automático de calefacción, que utiliza el vapor que llega a través de la tubería (GVV4- GVV4´) y la válvula reductora de presión (GVV4´- GVV4´´); donde la finalidad de esta última, es reducir la presión del vapor hasta la de operación del tanque, ya que la transferencia de calor del vapor al agua se realiza de forma directa. Una vez que el agua de alimentación ingresa a la caldera (GVA3), esta se convertirá en vapor gracias a la acción de la energía térmica liberada por la combustión del combustible Bunker, en el hogar de la caldera; este combustible ingresa al sistema en el punto ( GVF1), el cual debe ser calentado por el equipo de calefacción del tanque de almacenamiento (TFA), el cual esta alimentado por las tuberías (GVV3 – GVV3´) a través de la válvula reductora (GVV3´- GVV3´´); este calentamiento busca reducir su viscosidad dinámica de manera que se pueda realizar el trasiego del mismo al tanque de alimentación(TDF). El tanque de alimentación de combustible, es similar operacionalmente al tanque anteriormente descrito, pero no lo es funcionalmente, ya que su función principal es alimentar y recibir el combustible de retorno de la caldera; debido a su equipo de calentamiento de combustible este necesita energía térmica, la cual es provista por la línea de vapor (GVV2-GVV2´) y por la válvula reductora de presión (GVV2´- GVV2´´). Con miras de obtener las condiciones físicas requeridas por el combustible que llega al quemador de la caldera, este debe ingresar a un precalentador; el cual funciona con vapor y electricidad, el vapor aportado por la línea (GVV5-GVV5´) y por la válvula reductora de presión (GVV5´- GVV5´´) proviene directamente de la caldera. Finalmente, el vapor necesario para el proceso, es conducido hasta el distribuidor de vapor de la planta procesadora de conservas de atún en latas, mediante la tubería GVV6 con los parámetros termodinámicos existentes en el distribuidor (DV).

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2.5 Estado actual de los estudios termo económicos en la industria, particularidades en los sistemas de generación a vapor. Termoeconomia es un término introducido por R.B. Evans y M. Tribus (Lozano and Valero 1993), relaciona la segunda ley de la termodinámica con los conceptos fundamentales de la economia, el cual permite la identificacion y cuantificacion de las irreversivilidades existentes en los sistemas de transformacion de energia. Sin embargo solo hasta finales de la decada de los ochenta, diferentes investigadores (Tsatsaronis and Winhold 1985), demostraron su utilidad a escala industrial mediante la reducción del consumo de energía térmica en casos críticos y especiales. (Tsatsaronis and Winhold 1985) aplicaron en un quemador componente de una planta de generacion de potencia que funciona a base de carbon, una evaluacion exergoeconomica con el objetivo de identificar y cuantificar sus perdidas exergeticas, con fines de proporne mejoras que optimicen su eficiencia y por consiguiente de la planta en general. (Torres 1991) presenta en su tesis doctoral, una formalización de los fundamentos de la Teoría del Coste Exergético en términos de la Exergoeconomía Simbólica, con la cual pretende sentar las bases matemáticas de la termoeconomía. (Habib, Said et al. 1995) aplica la metodologia de análisis exergético en una planta generadora de potencia en arabia saudita, en la cual determina las irreversivilidades del sistema debido a las perdidas y destrucciones exergeticas, encontrando que la eficiencia del generador de vapor es de 37%, constituyendose en el principal destructor de la exergía que ingresa al sistema. Otro importante trabajo fue realizo por (Jin, Ishida et al. 1996), donde evaluaron una planta de vapor supercrítica y una de ciclo combinado mediante la utilización de la metodología de análisis gráfico de exergía (EUD), gracias a la cual, se llegó a identificar varios puntos de ineficiencia en la planta de ciclo combinado, como que la cámara de combustión representa la mayor parte de pérdidas exergéticas del sistema, que la mayor cantidad de residuos exergéticos se encuentran el generador de vapor de recuperación de calor, y que la mayor de perdida de exergía se produce en el ciclo de fondo, donde como resultado de lo cual, recomendaciones de la implementación de la tecnología de bucle químico a la cámara de combustión del ciclo combinado. - 22 -

(Atmaca and Recep 2014) proponen un método, que utiliza de manera combinada conceptos derivados de la 1ra y 2da. ley, conocido como el método exergetico; el cual lo aplica al análisis termodinámico de calderas que usan como combustible bagazo húmedo de caña de azúcar; donde los resultados obtenidos indicaron que la eficacia de la 1ª ley es alta (84,05%), sin embargo, la tasa de irreversibilidad encontrada fue de 49.8 MW la cual representa tambien un valor significativo, lo que demuestra que alrededor del 70% de la exergia del combustible que ingresa al sistema, se destruye en el proceso de combustión. (González 1998) estudió el aumento que experimenta el rendimiento de una caldera mediante el uso de un economizador, utilizando un sistema de recuperación de gases calientes; donde se determino que mediante la implementacion de dicho sistema, se podria aprovechar hasta el 57% del calor maximo rechazado por lo gases de escape. (Correas 2004), presenta una metodologia detallada para el tratamiento del problema de diagnosticar el mal funcionamiento en sistemas térmicos, para lo cual propone un modelo aplicado a una central termica de ciclo combinado, ademas del tratamiento que se debe dar a los datos y al análisis de resultados, basando su enfoque de diagnostico en la Teoría Estructural de la termoeconomía. (Verkhinvker and Kosoy 2001), evalua mediante el analisis exergetico y economico, el desempeño de una planta convencional de generacion de potencia a vapor situada en Ucrania, donde determina que los tres principales factores que inciden en la destruccion de la exergia que ingresa al sistema, son la transformacion de la exergia quimica del combustible a calor, la transferecia de calor al fluido de trabajo, y la diferencia de temperatura de los recalentadores del sistema, donde establece ademas medidas para la mejora del rendimiento del sistema. (Franco and Russo 2002), usan la optimización termoeconómica para el caso de un generador de vapor (HRSG) como opción al método del “Pinch Point,” y señalan que se puede obtener un aumento de la eficiencia cercano al 60% con un aumento de la superficie y una disminución de la diferencia mínima de temperatura. (Mirandola and Stoppato 2003), en una planta de cogeneracion ubicada en torino Italia, sugieren un enfoque paso a paso para optimizar plantas de conversión de energía: análisis de energía (primera Ley), análisis de exergía (segunda ley), análisis termoeconómico, evaluaciones micro económicas, evaluación de impacto ambiental, análisis de emergía. - 23 -

(Zhang, Wang et al. 2006) demuestran un método de análisis de costos basado en termoeconomía, a una planta termica de 300 MW que opera con carbón pulverizado ubicada en Yiyang (provincia de Hunan, China); concluyendo que el costo específico de las irreversibilidades es un mejor indicador que el costo exergético unitario, al representar el desempeño productivo de los componentes por separados. Los autores (Rosen and Tang 2006), realizaron analisis energeticos y exergeticos a una planta de potencia de vapor, la cual opera con carbón y esta situada en Ontario Canada, determinando que mediante la reduccion del exceso de aire de combustion de 0,40% a 0,15%, se obtendria un aumento en su eficiencia exergetica del orden del 1.4 %. (Fiorini and Sciubba 2007) desarrolla un modelo para la simulación termodinámica y termoeconómica, para una planta de desalinizacion tipo desalinizacion de muti efecto (MED), la cual se alimenta del vapor producido en una planta de cogeneración; donde se concluye que con valor termoeconomico del vapor mas bajo, la eficiencia de la planta aumenta significativamente. La central termoeléctrica de Al Hussein situada en Jordania, fue evaluada por (Aljundi 2008) energética y exergéticamente a nivel de componente, y se determinó, que el condensador tiene una perdida energética de 134 MW y la caldera 13 MW, pero exergéticamente, el primero llega a 9% de pérdidas por irreversibilidades y el segundo a 77% , concluyendo así que la caldera es el principal destructor de exergía, y que la energía perdida en el condensador de tiro forzado es de baja calidad. En la misma línea de estudios (Peerapong and Limmeechokcha 2009), realiza una evaluación exergética y termoeconómica a una planta real de cogeneración, que utiliza cáscara de arroz como combustible, la cual se encuentra ubicada en Tailandia, determinando que el 77.90% de la destrucción de exergía del sistema se produce en la caldera y el 3.42% en la turbina, presentando a la caldera como la principal fuente de irreversibilidad del sistema evaluado; las eficiencias exergética de la caldera, turbina y del sistema en general fueron de 29,95%, 76,78% y 26,38 % respectivamente. En la parte económica, los resultados mostraron que la planta de cogeneración con cascara de arroz tiene un VAN de US $ 0,303 millones / año, un PBP de 3.7 años y una TIR del 27%, presentando a la cogeneración con cáscara de arroz beneficiosa para la generación de energía. La industria de procesos generalmente utiliza calderas a vapor pirotubulares, dentro de este contexto (Saidur, Ahamed et al. 2010) realizaron una evaluacion energetica - 24 -

y exergetica a una caldera pirotubular industrial, y determino que sus eficiencias energeticas y exergeticas son 72.46% y 24.89% respectivamente, ademas, propuso y evaluo economicamente la implementacion de variadores de velocidad al ventilador del tiro forzado, y la recuperacion de calor de los gases de escape, como medidas de ahorro exergetico; concluyendo de esta manera, que estas son perfectamente viables tanto tecnica como economicamente, y que ademas cuentan con un periodo de recuperacion de la inversion de un año. (Vucˇkovic´,

Stojiljkovic´

et

al.

2014)

realizaron

una

evaluacion

exergoeconomica de un sistema de servicios energeticos, que provee vapor saturado, aire comprimido y agua caliente a un proceso de elaboracion de productos de caucho, donde determino que más del 80% de la exergía total destruida por el sistema proviene de la caldera, y el 83,53% de esta es no evitable, constituyendose asi en el principal destructor de exergia del sistema analizado. (Walmsley, Walmsley et al. 2015) realizo un tabajo donde optimizo termoeconómicamente el diseño de una fabrica de leche en polvo, aplicando un bucle de recuperación de calor de escape; los resultados obtenidos del modelo mostraron que la recuperación de calor de escape es económicamente viable. Otro trabajo realizado por (Rangel, Ascencio et al. 2016), determinaron los costos exergeticos de una caldera de 350 MW que utiliza carbón pulverizado como combustible, la cual alimenta de vapor a una planta de energía convencional de 1.050 MW ubicada en españa; el costo exergetico unitario del vapor sobrecalentado fue de 2.538 kW / kW y las efciencias energeticas y exergeticas estan en el orden de 80% y 40% respectivamente, considero este segundo valor demasiado bajo debido a las irreversivilidades que existen en la camara de combustion. (Jimenez, Madrigal et al. 2016), utilizo equipos de medicion no invasivos como cámara termográfica, medidor de flujo ultrasónico y analizador de gases de la combustión, con el objetivo de desarrollar un metodo de evaluacion energetica y exergetica de una caldera pirotubular; obteniendo eficiencias energéticas por el método directo e indirecto de 76,5% y 77% respectivamente, y 27% de eficiencia exergética; como aspecto relevante a considerar, en su estudio también determino el grado de sobredimensionamiento del equipo y su impacto ambiental. De acuerdo a lo expuesto, se puede concluir que las evaluaciones exergoconomicas realizadas a los sistemas de generacion de vapor, se han enfocado en su - 25 -

gran mayoria a las plantas generadoras de potencia, reportandose escasos trabajos en sistemas de generacion de vapor industrial; especialmente en la industria de elaboracion de conservas de atun enlatas, objeto de este estudio. 2.6. Importancia de los sistemas de generación de vapor en la industria de producción de alimentos. El uso del vapor en la industria se vio impulsado inicialmente por la necesidad de aprovechar su fuerza motriz, constituyéndose en una de las más grandes contribuciones al desarrollo de la sociedad industrial moderna, además se sostiene que la primera aplicación orientada a la obtención de energía por medio del vapor, fue con la turbina a reacción de Hero a comienzos de la era cristiana (Milla 2007). Siglos más tarde en los inicios de la Revolución Industrial, Thomas Newcomen, un herrero muy hábil, invento una máquina térmica de un cilindro abierto por arriba, donde en el interior se deslizaba un émbolo, el que iba unido por una cadena en sus extremos mediante un balancín fijo en su punto medio y en el otro extremo llevaba un contrapeso capaz de levantar el émbolo. Watt en 1783 lo perfeccionó evitando el alternativo calentamiento y enfriamiento del cilindro, y su cambio consistió en producir la condensación del vapor en otro recipiente denominado la cámara de vacío, logrando reducir el consumo de vapor en 75% (Gaffert 1981). En base a esto, las centrales termoeléctricas inicialmente funcionaban con motores a vapor con pistones como es el caso de la primera central termoeléctrica, construida por Sigmund Schuckert en la ciudad de Ettal en Baviera la misma que entró en funcionamiento en 1878; y las primeras centrales comerciales, Pearl Street Station en Nueva York (E.E.U.U.) y la Edison Electric Light Station (Londres), las cuales empezaron a operar en 1882 (Sharma & Sanghi, 2015). Aunque es importante resaltar, que la turbina a vapor que permitió aumentar la capacidad y eficiencia de las centrales térmicas, dio como resultado que para 1904, la turbina de vapor haya reemplazado completamente a los motores de vapor de pistones en las grandes centrales eléctricas (PARSONS 2014). Pero el papel del vapor a lo largo de la historia, no se limita únicamente a la generación de potencia, debido a que también se reportan en la bibliografía revisada, importantes aportes del vapor al desarrollo de la industria de procesamiento de alimentos en conservas. - 26 -

En la industria del procesamiento de alimentos en conservas, los tratamientos térmicos de los alimentos a través de las diferentes etapas que lo constituyen, son muy importante, tal como se reportan en los trabajos de (Avadi, Bolaños et al. 2015) donde determina el ciclo de vida de las conservas de atún en latas en una de las principales industrias ecuatorianas; (Iribarren, Moreira et al. 2010) y (Bello, Stupak et al. 2012) realizaron estudios en Santiago de Compostela España, sobre el ciclo de vida de la conservas en lata del mejillón, constituyéndose en importantes aportes en la conservación del medio ambiente y eficiencia energética, sector en el cual España es el segundo productor mundial después de la república popular de china. En los Estados Unidos, (Bell, Farkas et al. 2002) en la universidad de carolina del norte, desarrollo un estudio dirigido a determinar las pérdidas de peso que se producen en el atún, debido al gradiente térmico producido en el interior del equipo durante la etapa de cocción, además del impacto que este produce sobre el proceso de empaque y esterilizado, para lo cual, se utilizó como producto de muestra la especie barrilete tuna (Katsuwonas pelamis). Otro aspecto importante a controlar son las características del atún, las cuales luego de ser sometido al proceso térmico de elaboración de conservas en lata, cambian normalmente sus propiedades nutricionales y organolépticas, debido a los diferentes subprocesos (refrigeración, descongelamiento, cocinado, limpieza, empaque esterilizado) que componen el mismo, por lo tanto, (Aubourg 2001) desarrollo un estudio donde enfatiza que los procesos térmicos predominantes en la conservación del atún en latas son el cocinado y esterilizado, y que por lo cual, se deber controlar durante su diseño y operación la degradación de dichas características. Otra innovación en este importante sector de la industria ha sido la incorporación de las energías renovables, donde (Quijera and Labidi 2013) adiciona al sistema de generación de vapor de una planta procesadora de atún en latas española, un sistema hibrido de calentamiento del agua de alimentación de una caldera pirotubular (solar – vapor), la cual opera con gas natural y provee de vapor saturado seco al proceso antes mencionado. Pero la importancia de los sistemas de generación de vapor no se limitan solamente a las conservas de los productos del mar, ya que los procesos agroindustriales como el procesamiento de la guayaba, caña de azúcar, zumo de naranja y varias frutas, se constituyen en grandes consumidores de vapor para los diferentes procesos térmicos que - 27 -

se utilizan para su correcto procesamiento, como lo presenta (Rocco and Morabito 2014) que desarrollaron un modelo matemático que busca optimizar los sistema de generación de vapor industriales, por el impacto económico y operacional que dicho sistema tiene sobre el proceso de producción, el cual podría representar el 70% del consumo energético total de la planta. En tal sentido (Walmsley, Walmsley et al. 2015), aplica una evaluación termoeconómica del proceso térmico de elaboración de leche en polvo, donde busca optimizar el proceso productivo mediante la aplicación del tecnología pinch; con el objetivo de predecir la perdida de eficiencia del sistema, debido al ensuciamiento de los tubos por la concentración del polvo de leche, y reducir el consumo energético. (Nasiri and Aghbashlo 2017) evalúa termoeconómicamente una industria iraní de elaboración de queso, donde especifica que el proceso de térmico de esterilizado se considera como un punto crítico de control, lo que denota la necesidad de un correcto aprovisionamiento y calidad del vapor generado en el sistema. De acuerdo a estos antecedentes, una de las técnicas más importante y comúnmente empleada en la industria alimentaria para extender la vida de los alimentos, es el proceso térmico a base de vapor, que requiere el calentamiento de los alimentos por un tiempo programado a una temperatura determinada, con el objetivo de eliminar microorganismos patógenos de importancia para la salud pública, así como aquellos microorganismos y enzimas que deterioran los alimentos durante el almacenamiento (Adepoju, Omitoyin et al. 2016). Por tal motivo en la industria de conservas de atún en latas objeto de este estudio, el vapor constituye el medio más idóneo de transporte del calor demandado por los diferentes procesos, tales como cocción, empaque, esterilizado, etiquetado y encartonado, para convertir al atún en un producto terminado (Avadí, Bolaños et al. 2015), por lo que la planta de generación de vapor se considera un “sistema clave”, cuya función es vital en el proceso productivo, dedicándose una proporción significativa de su consumo de combustibles fósiles a su producción (Noa and Brito 2010), (Mazuera, Rojas et al. 2014). Dado el carácter contaminante de las fuentes fósiles, resulta importante reducir el consumo de estos portadores energéticos a partir de la optimización y evaluación periódica de las tecnologías existentes y el diseño de otras (Nuñez 2016), Por otra parte, la utilización extensiva de combustibles de origen fósil en los procesos productivos genera emisiones de gases de efecto invernadero (es decir, CO, CO2, SOx y NOx) y - 28 -

preocupaciones ambientales posteriores (Atabani and Aldara 2014), identificándose como la actividad más dañina a nivel mundial la sobreutilización de combustibles fósiles, como el petróleo, para la generación de energía (Jimenez and S 2015). De acuerdo a la revisión bibliográfica realizada se puede concluir, que el sistema de generación de vapor saturado es clave en el proceso de conservación de alimentos, como en el caso de la industria del atún en conservas objeto de nuestro estudio. En tal sentido, el uso racional del vapor llevaría a las industrias de este sector a reducir los costos de producción y su impacto ambiental, lo cual daría como resultado, un aumento de la competitividad de los productos ecuatorianos tanto en los mercados nacionales como internacionales.

2.7. Principales portadores energéticos utilizados en los sistemas de generación de vapor en la industria de conservas. De acuerdo a lo anteriormente expuesto, se puede apreciar la importancia que tienen los sistemas de generación de vapor en la industria procesadora de alimentos; debido a que estos proveen la energía térmica necesaria, para la realización de todos los procesos térmicos componentes de la industria anteriormente mencionada, como el calentamiento, cocimiento y esterilización. Otro aspecto importante, lo constituye la dependencia a los combustibles de origen fósil que tiene la industria procesadora de alimentos para la generación de vapor; como es el caso de la industria objeto de este estudio, la cual utiliza el bunker (fuel oíl # 6) como combustible principal de su sistema de generación de vapor, el cual dado su carácter contaminante y alta participación en el costo final del vapor, se constituye en un problema potencial que debe ser considerado, debido a que las industrias de este sector actualmente se encuentra buscando certificaciones ambientales, que les permitan acceder a nuevos mercados con el fin de aumentar su competitividad y por ende las ventas de sus productos. Finalmente, otro portador energético importante para la industria es la energía eléctrica, la cual consume alrededor del 40% de la energía eléctrica total consumida mundialmente, y constituye en el segundo portador energético en las industrias después del vapor (Martinez 2017). En vista de lo anterior y la similitud que existe, entre los sistemas de generación de vapor de las diferentes industrias procesadoras de alimentos, se puede concluir, que los principales portadores energéticos que intervienen en los sistemas de generación de - 29 -

vapor de la industria de elaboración de conservas de atún en latas, no solo por su valor cuantitativo (agua de alimentación) sino también cualitativo (fuel oíl # 6 y energía eléctrica) son: Agua de alimentación. Combustible. Energía Electricidad. 2.7.1. Agua de alimentación. Según el Informe de las Naciones Unidas sobre los Objetivos de Desarrollo del Milenio 2012 unos 783 millones de personas no tienen acceso a una fuente de agua potable, es decir el 11% de la población mundial; además cada año fallecen aproximadamente por esa causa un millón y medio de niños menores de 5 años (Taboada, Magan et al. 2016). Por lo cual, el agua se constituye en un elemento imprescindible para la vida en la tierra, gracias a la cual se puede obtener alimentos, generar energía, producir bienes elaborados, generar servicios de suministro y saneamiento, así como asegurar la integridad de los ecosistemas. En vista de lo anterior, el agua es también ampliamente utilizada para la obtención de alimentos, mediante la utilización del vapor de agua en diversos tratamientos térmicos a nivel industrial, por ser uno de los medios más idóneos para transportar y suministrar calor a los procesos (Nieuwlaar, Roes et al. 2015), debido a que posee propiedades físicas y ventajas económicas como una alta eficiencia en la transferencia de calor, capacidad de proporcionar calor a temperatura y presión constante, no es toxico y su costo es relativamente bajo en su proceso de generación; donde esto lo convierte así en el segundo mayor portador calorífico en la industria, solo por debajo de la administración de calor directo de la combustión. Las principales propiedades del agua químicamente pura, que interesan al sistema de generación de vapor industrial, definen que esta hierve a la temperatura de 100°C a la presión atmosférica (760 milímetros Hg) y posee un calor de vaporización de

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calorías/gramo; es un líquido inodoro e insípido, incoloro y transparente. En capas de poco espesor (6 – 8 metros) toma un color azul, porque absorbe las radiaciones rojas (Méndez 2015).

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La tabla 2.1, presentan las características físicas del agua en función de su temperatura, las cuales son necesarias conocer durante la realización de evaluaciones energéticas de los sistemas de generación de vapor industrial. Tabla 2.1 algunas características físicas del agua en función de la temperatura

Temperatura Densidad agua T (ºC) 0 4 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

𝜌(𝑘𝑔/𝑚3 ) 999,8 1000 999,7 998,2 995,6 992,2 988,1 983,2 977,8 971,8 965,3 958,4

Calor especifico Cp (J/kg ∗ k) 421,76

Viscosidad dinámica

Viscosidad cinemática

Tensión superficial σ (N/m)

μ (Pa ∗ s) 1793𝑥10−6

ν (m2 ∗ s) 1793𝑥10−6

0,07564

419,21 418,18 417,84 417,85 418,06 418,43 418,95 419,63 420,5 421,59

1307𝑥10−6 1002𝑥10−6 797,7𝑥10−6 653,2𝑥10−6 547𝑥10−6 466,5𝑥10−6 404𝑥10−6 354,4𝑥10−6 314,5𝑥10−6 281,8𝑥10−6

1307𝑥10−6 1004𝑥10−6 801𝑥10−6 658𝑥10−6 553𝑥10−6 475𝑥10−6 413𝑥10−6 365𝑥10−6 326𝑥10−6 294𝑥10−6

0,07423 0,07275 0,07120 0,06960 0,06794 0,06624 0,06447 0,06267 0,06080 0,05891

Fuente: (Soriano and Pancorbo 2012)

Las características químicas del agua durante su proceso de cambio de fase, podrían ocasionar potenciales problemas que pondrían en riesgo no solo la capacidad y calidad de vapor generado, sino también la integridad física del equipo; problemas como, piting por corrosión, corrosión caustica, incrustación y arrastre de condensado. Esto conllevara a incurrir en considerables gastos de tratamiento del agua de alimentación del sistema de generación de vapor, los cuales, deberán ser considerados en las posteriores evaluaciones termoeconómica. La norma británica BS – 2486, la ABMA (American Boiler Manufacturing Association) y el TÜV, ofrecen estándares que buscan una operación eficiente, confiable y mantenible de los sistemas de generación de vapor; en base a las cuales se elaboraron las tablas 2.2 y 2.3, las cuales presentan los requerimientos que debe cumplir el agua de alimentación y de la caldera (Norese 2017). Tabla 2.2. Requerimientos agua alimentación calderas vapor según BS 2486

PARÁMETRO Dureza total Contenido de oxígeno Dióxido de carbono Contenido total de hierro Contenido total de cobre

VALOR REQUERIDO < 2 ppm < 8 ppb < 25 mg/l < 0,05 mg/l < 0,01 mg/l - 31 -

Alcalinidad total Contenido de aceite pH a 25 ºC Condición general

< 25 ppm < 1 mg/l 8.5 – 9.5 Incoloro, claro y libre de agentes Indisolubles.

Tabla 2.3. Requerimientos agua caldera según BS 2486

PARAMETRO pH a 25 ºC Alcalinidad Total CaCO3 Alcalinidad Cáustica Secuestrantes de Oxígeno: 􀂉 Sulfito de Sodio 􀂉 Hidrazina 􀂉 Taninos 􀂉 Dietilhidroxilamina Fosfato Na3PO4 Hierro Sílice Sólidos disueltos Sólidos en suspensión Conductividad Condición general

VALOR RECOMENDADO 10.5 - 11,8 < 700 ppm > 350 ppm 30 – 70 ppm 0.1 – 10 ppm 120 – 180 ppm 0.1 – 1.0 ppm (en agua alimentación) 30 - 60 mg/l < 3.0 ppm 150 ppm < 3500 ppm < 200 ppm < 7000 uS/cm Incoloro, claro y libre de agentes Indisolubles.

De acuerdo a la bibliografía revisada, contar con un suficiente y continuo abastecimiento de vapor de agua hacia el proceso de elaboración de alimentos en conservas, permitirá la realización de apropiados tratamientos térmicos de la materia prima en las diferentes etapas del proceso; esto se podrá lograr, en gran medida si se cumplen los requerimientos mínimos de calidad del agua de alimentación de la caldera; entendiéndose por esto, el cumplimiento de las propiedades físicas y químicas que exige el fabricante de la caldera al agua que ingresa al mencionado equipo. Otro aspecto importante a tener en cuenta, es que las industrias utilizan el 22 % del agua que se consumen anualmente en el mundo, aunque en los países de ingresos elevados este consumo representa el 59%, y el 10% para los de bajo ingreso (MAAMA 2015); esto demuestra la estrecha relación que existe entre el desarrollo del nivel de vida económico de sus habitantes, el nivel de industrialización y el consumo de sus recursos naturales. Esto ocurre debido a que este recurso suele considerarse como un bien gratuito, por la falta de conocimiento sobre la protección del ciclo del agua, el uso incorrecto y la - 32 -

carencia de un marco legal regulatorio, es decir por la falta de políticas adecuadas para una correcta gestión y costo. En vista de lo cual y de acuerdo a las demandas sectoriales del consumo de agua en el 2011, el Ecuador se presenta como un país no industrializado, con un uso consuntivo del agua predominante de 80% para el sector agrícola, seguido por el uso doméstico (13%) y la industria (7%) (EUA 2016) En vista de lo anterior, y a pesar que el Ecuador es un país tropical que recibe una precipitación promedio de aproximadamente 2087 mm anuales (EUA 2016), el 6 de agosto del 2014 entro en vigencia la ley de recursos hídricos y aprovechamiento del agua (Ley de aguas) que fue publicada en el registro oficial No 305 , la cual prohíbe toda clase de privatización del agua, por su trascendencia para la vida, la economía y el ambiente, por tanto, no puede ser objeto de ningún acuerdo comercial, con gobierno, entidad multilateral, o empresa privada nacional o extranjera y se gestión será exclusivamente pública o comunitaria. Finalmente, de acuerdo a lo expuesto se concluye, que el agua es un elemento vital para la superveniencia de todos los seres vivos, y en forma de vapor también lo es para el procesamiento de alimentos en conservas; además, que toda sociedad moderna necesita de ella para promover y mantener su bienestar socioeconómico, debido a la relación directa que existe entre el consumo de agua per cápita, la industrialización de la sociedad y el aumento del poder adquisitivo. Pero para esto es necesario, el desarrollo y establecimiento de políticas y leyes que eviten su desperdicio, promuevan su cuidado y eviten su monopolio.

2.7.2. Combustible. El petroleo se concoce desde la prehistoria, donde ya en la etapa precolombiana los indigenas sudamericanos lo utilizaban para la impermeabilizacion de sus embarcaciones; en otro punto importante en la historia, la biblia tambien lo menciona como el asfalto con el que se pegaron los ladrillos de la torre de Babel, y como los pozos de asfaltos que derrotaron a los reyes de Sodoma y Gomorra. Se dice que el primer pozo petrolero con fines comerciales tuvo lugar en Rumania, aunque de acuerdo a una gran cantidad de bibliografia, se sostiene que el coronel Edwin L. Drake dos años mas tardes (1859) completo en los Estados unidos el primer pozo

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petrolero, y desde ese momento el consumo de petrolero en el mundo ha ido en franco aumento. Desde 1910, el gasoleo que comprendia la parte residual del proceso de destilacion del petroleo, empezo a utilizarse como combustible cuando el almirante Fisher ordeno cambiar el uso del carbon por el gasoleo en toda la flota britanica, desde ese momento se lo empezo a utilizar para alimentar los hogares de hornos, caldera, locomotaras, uso domestico y flota mercante, debido a su mayor poder calorifico y bajo precio (Bibliotecadigital 2017). El Bunker (fuel oil # 6), es un combustible obtenido de la parte residual del proceso de destilacion del petroleo, posee una alta viscosidad, fuerte olor a azufre y alto valor energetico, lo que lo hace apto para su uso industrial en calderas, hornos y para las plantas de generación eléctrica (RECOPE 2011). De acuerdo a (Muñoz 2013), las industrias utilizan la energía básicamente para tres aplicaciones fundamentales, calentamiento o enfriamiento, fuerza motriz y generación de vapor. Para el caso de la industria ecuatoriana, el 39% del suministro energético proviene de diesel, 31% de la energia electrica .y el 17% de fuel oil, lo cual muestra a los combustibles fósiles como la fuente energética principal de la industria ecuatoriana (Tsatsaronis 1993) En vista de lo anterior, surge la necesidad de identificar y cuantificar las diversas ineficiencias y perdidas energeticas, en los equipos componentes de los procesos industriales estudiados, con el objetivo de reducir el consumo de combustible y por ende el impacto que estos ocacionan al ambiente; para lo cual, primeramente se debe conocer las principales carcteristicas tecnicas del combustible utilizado en el proceso objeto de estudio. Estas caracteristicas, de acuerdo a la metodologia sovietica de evaluacion energetica de generadores de vapor y la metodologia propuesta por valero y lozano (Valero 1998), son la composicion quimica elemental del combustible, poder calorifico, calor especifico, densidad y viscosidad. La composicion quimica elemental de una muestra de combustible, se define como el porcentaje de masa o volumen de cada uno de los elementos que forman parte del combustible, es decir, carbono (C), hidrógeno (H2), azufre (S), oxígeno (O2), nitrógeno (N2), cenizas (A) y humedad (W). La tabla 2.4, muestra el valor de la composicion quimica elemental de varios combustibles utilizados en las centrales termicas. - 34 -

Tabla 2.4. Valor de la composicion quimica elemental de varios combustibles utilizados en las centrales termicas Combustible

Gas natural

Fuel oil

Caracteristicas

Valores medios

Carbono (% peso)

69

Hidrogeno (% peso)

23

Oxigeno (% peso)

1,5

Nitrogeno (% peso)

6

Azufre (% peso)

0,5

P.C.S (kcal/m3 )

10,600

Carbono (% peso)

83

Hidrogeno (% peso)

13

Oxigeno (% peso)

0,4

Nitrogeno (% peso)

0,4

Azufre (% peso)