ARTÍCULOS ORIGINALES
Evaluación exergética de propuestas de disminución de consumo de vapor en usinas azucareras
Dora Paz* y Gerónimo J. Cárdenas*
* Sección Ingeniería y Proyectos Agroindustriales, EEAOC. ingenieria@eeaoc.org.ar.
RESUMEN
Se realizó un modelado exergético, basado en la 2° ley de la Termodinámica, para la evaluación de las operaciones térmicas de Calentamiento-Evaporación-Cristalización (CEC) en un ingenio de Tucumán. Una vez resueltos los balances de masa y energía de sistemas CEC, se determinaron los balances de exergía, evaluando las pérdidas de exergía y la eficiencia exergética. Se emplearon ecuaciones y gráficos existentes en la bibliografía para evaluar las propiedades termodinámicas de los flujos intervinientes. Se simularon y compararon con el caso base (zafra 2000), dos propuestas tendientes a disminuir las pérdidas de exergía, considerando: aumento de efectos de evaporación, mayor aprovechamiento de vapores vegetales, aumento en la concentración de melado, empleo de vapor vegetal para la cristalización y reemplazo de turbinas de vapor ineficientes por motores oleohidráulicos y eléctricos. Los resultados mostraron que las menores eficiencias exergéticas se producen en condensadores barométricos de cristalización y evaporación, y en cristalización. La reducción de irreversibilidades en las propuestas analizadas permitiría eliminar el combustible adicional necesario para operar calderas bagaceras antiguas.
Palabras clave: Energía; Exergía; Motores hidráulicos.
ABSTRACT
Exergetic evaluation of proposals for steam consumption reduction in sugar factories
Exergetic modelling, based on exergetic analysis (2nd law of Thermodynamics), was applied in assessing
Heating-Evaporation-Crystallization (H-E-C) thermal operations in a cane sugar mill in Tucumán (Argentina). After
solving mass and energy balances in H-E-C systems, exergy balance was determined. Exergy losses and exergetic
efficiency were calculated. Equations and graphics found in bibliographic sources were used to calculate thermodynamic
properties of intervening flows. Two alternatives for reducing exergy losses were simulated and compared with base case
(2000 season). These alternatives aimed at the following goals: more evaporation effects, better use of juice vapours,
increase in syrup concentration, and replacement of inefficient steam turbines with hydraulic and electric motors. Results
showed that the lowest exergy efficiency levels are obtained in barometric condensers and in the crystallization process.
The reduction of irreversibilities in the analyzed proposals would allow eliminating the extra fuel normally used to operate
old local bagasse boilers.
Key words: Energy; Exergy; Hydraulic motors.
INTRODUCCIÓN
Diversos autores han abordado el concepto de
exergía y su aplicación al análisis de procesos (Rant,
1956; Brodyanskii, 1973; Vallejo, 1982; Valero et al., 1986;
Tsatsaronis, 1984; Kotas, 1985; Guallar, 1987; Anaya y
Rivero, 1988; Rivero, 1994; Baloh y Wittwer, 1995; Paz y
Cárdenas, 1997; Fernández y Nebra, 2001).
La calidad (capacidad para producir cambios) de formas
desordenadas de energía, caracterizadas por la entropía,
se conoce como exergía y depende tanto de la forma
de la energía (química, térmica, etc.) como de los parámetros
del que transporta la energía y del ambiente (Baloh y
Wittwer, 1995). Por otro lado, las formas ordenadas de
energía, como la energía eléctrica o mecánica, presentan
calidad invariable y pueden, a través de la interacción del
trabajo, convertirse totalmente en otras formas de energía.
La exergía indica el trabajo aprovechable que un sistema
puede entregar: es aquella parte de la energía que es
posible transformar en trabajo útil y que tiene un valor económico.
El resto de la energía del sistema, a la que se
denomina anergía, no es recuperable. Cada proceso técnico
que ocurre a una cierta velocidad tiene pérdidas de exergía,
mientras que en los procesos ideales o reversibles, la
velocidad es igual a cero y las pérdidas son nulas. Se
puede interpretar la pérdida de exergía como la energía que
es necesario consumir para obtener la velocidad correspondiente
del proceso (Baloh y Wittwer, 1995). El balance
de exergía considera tanto los cambios de entalpía como
los de entropía, y es este balance el que descubre las pérdidas
que ocurren en los procesos o equipos debido a irreversibilidades
(estrangulamiento, intercambio de calor,
mezcla de fluidos, reacciones químicas, etc.).
El balance de exergía es un postulado de la ley de
degradación de la energía (2° ley de la Termodinámica), y
es equivalente a la pérdida irrecuperable de exergía debido
a la irreversibilidad de todos los procesos reales.
En un ingenio azucarero de caña, las operaciones
de mayor consumo de energía térmica son los
Calentamientos de jugo, la Evaporación y el sector de
Cristalización, los que constituyen el sistema conocido
como CEC. Para la mayoría de estos procesos u operaciones
disipativas, aún un incremento muy pequeño en la
eficiencia exergética producirá un impacto importante en
la cantidad de energía ahorrada.
El objetivo de este trabajo es evaluar propuestas
tendientes a disminuir las pérdidas de exergía en un ingenio
azucarero de caña en Tucumán, considerando:
aumento de efectos de evaporación, mayor aprovechamiento
de vapores vegetales, aumento en la concentración
de melado, empleo de vapor vegetal para la cristalización
y reemplazo de turbinas de vapor ineficientes por
motores oleohidráulicos y eléctricos.
MATERIALES Y MÉTODOS
La fábrica, tomada como caso de estudio, es un
ingenio situado en Tucumán, cuya capacidad de procesamiento
es de 6800 toneladas de caña por día. Este ingenio
cuenta para la molienda de caña con dos trapiches: 1)
Dedini, con capacidad para moler 5300 t de caña/día, con
turbinas de vapor de accionamiento de alta eficiencia y
bajo consumo específico de vapor y 2) Krupp con capacidad
para moler 1500 t de caña/día, con turbinas de accionamiento
de baja eficiencia y alto consumo específico de
vapor.
La planta dispone de un sistema de evaporación,
calentado con vapor escape (de 2,18 bar de presión y
122°C), con dos tandems que operan en cuádruple efecto
en paralelo. Las extracciones de vapor vegetal para calentamiento
de jugo encalado se efectúan del 1°, 2° y 3° efecto
de evaporación. Se emplea vapor escape para la calefacción
de los tachos de cocción (Cristalización). Este sistema
se tomará como caso base o de referencia al analizar
las propuestas mejoradoras.
La metodología empleada consta de los siguientes
pasos:
1) Elaboración del diagrama de bloques del proceso.
Se procedió a la traducción del diagrama de flujos
del proceso en un diagrama de bloques, incluyendo no
sólo las corrientes de energía y de materia que se muestran
en un diagrama de flujo, sino también todas las entradas
y salidas que representen un flujo de exergía en cada
bloque (servicios auxiliares, motores eléctricos, pérdidas
de calor a través de aislamientos térmicos, etc.).
2) Resolución de los balances de masa y energía
en cada bloque del proceso.
Se empleó el software de simulación de sistemas
CEC: SIMCE 2.0, que emplea modelos matemáticos
determinísticos para simular el funcionamiento de cada
equipo involucrado en el sistema (López et al., 2000).
3) Resolución del balance de exergía en cada
bloque del proceso.
La exergía de una corriente puede ser dividida
en diferentes componentes. En ausencia de efectos nucleares,
magnetismo, electricidad y tensión superficial,
es:
La ecuación 1 (Ec.1) también puede escribirse en
su forma específica, introduciendo la exergía específica,
En el caso de procesos CEC estudiados, no se consideran los términos de: exergía química específica, exergía potencial específica y exergía cinética específica, por lo que la exergía específica se reduce a la componente física.
El balance de exergía para un proceso en estado estacionario se expresa de la siguiente forma:
4) Determinación, en cada bloque y en todo el
proceso, de las pérdidas de exergía y la eficiencia
exergética simple.
Del balance de exergía, tenemos:
La eficiencia simple es el cociente entre el flujo total de exergía de salida y el flujo total de exergía de entrada:
5) Análisis de las propuestas A y B, mejoradoras
del sistema CEC, que contemplan: incrementos en el área
de intercambiadores de calor, aumento del número de efectos
de evaporación, reemplazo o eliminación de un equipo
ineficiente o anticuado, etc. Se analizaron dos propuestas:
A) Operar el sistema en quíntuple efecto, con
extracciones de vapor vegetal de todos los efectos para
calentamiento de jugo encalado. Considerar el colector de
escape a 2,05 bar (121°C). Las demás condiciones del sistema
CEC se mantienen sin variantes.
B) Redimensionar el esquema de evaporación para
alimentar con vapor vegetal (VG1) al sector de cristalización,
concentrando el melado hasta 70°Bx, lo que implica
además un menor consumo de vapor en esa operación.
Las demás condiciones serían idénticas a la propuesta A.
Para evitar el venteo de vapor al ambiente, se proponen
dos modificaciones en el sistema:
B.1) Eliminar las turbinas de vapor de accionamiento
del trapiche Krupp, y sustituirlas por motores oleohidráulicos.
B.2) Reemplazar los accionamientos con turbinas
de vapor de los ventiladores de tiro inducido (VTI) y turbobombas
de calderas por motores eléctricos.
El motor hidráulico es un equipo que forma parte de
un sistema oleohidráulico, encargado de convertir energía
hidráulica en energía mecánica. El mismo consiste en un circuito
cerrado, compuesto por dos circuitos hidráulicos independientes:
el primero es el circuito de presión, accionado
por la bomba eléctrica de aceite, y el segundo un circuito de
regulación por variación de la cilindrada, accionado por la
bomba, que constituye el motor hidráulico. Cabe destacar
que utilizando turbinas de vapor y motores hidráulicos, dicho
accionamiento es controlado por medio del ajuste y regulación
del flujo de trabajo a través de válvulas, que en el primer
caso se trata de vapor de agua y en el segundo de aceite oleohidráulico.
En la actualidad se están empleando motores
oleohidráulicos, por su mejor rendimiento y confiabilidad
como accionamientos de molinos de caña de azúcar en ingenios
de Sudáfrica, Colombia y en un ingenio del norte de
nuestro país (Golato y Paz, 2004).
Desde el punto de vista energético, sustituir turbinas
de vapor de alto consumo específico por motores oleohidráulicos
y/o eléctricos alimentados por el turbo generador
de la fábrica (usina), de menor consumo específico, trae
como consecuencia una reducción en el requerimiento de
vapor vivo de las calderas y, por ende, beneficios económicos
para la empresa.
6) Resolución de balances de masa, energía y
exergía para las propuestas A y B. Comparación de los
resultados con el caso base.
Se compararon las pérdidas de exergía obtenidas
por sector y para el sistema CEC en su conjunto en las propuestas
A y B con respecto al caso base. Se determinó la
incidencia de la reducción de pérdidas de exergía en el
consumo de vapor de calefacción.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los resultados de los balances de masa y energía para el caso base, determinados empleando el software SIMCE 2.0 (López et al., 2000), se muestran en la Figura 1, donde con líneas de trazos se han indicado las cajas de evaporación que operan en paralelo como un efecto. El vapor escape total requerido para las operaciones CEC alcanza las 161,3 t/h (56,9% Caña); el vapor al condensador es de 9,18% Caña y el agua requerida para el mismo asciende a 238,7% Caña.
Figura 1. Caso base: resultados de los balances de masa y energía.
Empleando la hoja Excel se calculó la distribución de vapor en fábrica (Fig. 2). El vapor escape total requerido para las operaciones CEC alcanza las 161,3 t/h (56,9% Caña). El vapor escape de las máquinas motrices (trapiche Krupp, ventiladores de calderas, cuchillas del Krupp, usina, trapiche Dedini) asciende a 140 t/h, siendo el vapor de laminación de 25,78 t/h (9% Caña). El vapor necesario a generar en las calderas asciende a 173,5 t/h (61,3% Caña).
Figura 2. Caso base: distribución de vapor producido.
De valores determinados en ensayos en calderas, se obtuvo que el rendimiento energ ético era del 68,8%, con un índice de generación de 1,8 kg vapor/kg bagazo. Con un 30% Caña de bagazo producido, se generan 54% Caña de vapor. Por lo tanto, el vapor a generar con combustible adicional es: 7,3% Caña de bagazo (61,3% Caña - 54% Caña). Se determina que para producir este vapor se requiere un 0,82% Caña de gas natural como combustible adicional, lo que equivale a 2323 Nm3/h.
Estudio y evaluación de propuestas mejoradoras
Las propuestas apuntan a disminuir las pérdidas exergéticas en los sectores estudiados (Calentamiento- Evaporación-Cristalización), logrando de esta forma la optimización en el empleo de la energía, tal como se aprecia en los resultados comparativos de la Tabla 1. Estas acciones traen como consecuencia una reducción en el consumo de vapor en esas operaciones térmicas, que se traduce luego en una disminución del vapor de laminación requerido, y por lo tanto, del vapor vivo necesario a generar en las calderas. En el caso de esta fábrica en particular, esto significa la eliminación del uso de combustible adicional empleado (gas natural), además de un sobrante de bagazo (o su equivalente en gas natural), que puede destinarse a otros fines, con el consiguiente beneficio económico. Se observan importantes reducciones en la cantidad de agua requerida, con respecto al caso base.
Tabla 1. Resultados comparativos para el caso base y las propuestas A y B.
A un mayor número de efectos en evaporación y mejor aprovechamiento de vapores vegetales de menor exergía, menores serán las pérdidas exergéticas en el sistema CEC, y por lo tanto, menores los requerimientos de vapor.
Balances de exergía
A modo de ejemplo, en la Figura 3, se muestran los resultados del cálculo para el 1° efecto de evaporación (Bloque 6) del caso base, usando Excel.
Figura 3. Resultados del balance de exergía para el bloque 6
(caso base).
Siguiendo esta metodología se calcularon los balances en cada bloque, y luego en cada sector del proceso. En la Tabla 2 se muestran los valores determinados de: exergía de entrada, exergía de salida, exergía perdida y la eficiencia exergética para los diferentes sectores del caso base.
Tabla 2. Flujos de exergía y eficiencia exergética para las diferentes etapas del caso base.
Puede observarse que las menores eficiencias exergéticas
ocurren en los condensadores barométricos, seguido
por el sector de cristalización y la estación de evaporación.
Estas pérdidas están asociadas al proceso de
transferencia de calor a través de una diferencia de temperaturas
(∆T) finita.
Las mayores irreversibilidades se producen en el
sector de cristalización, por tratarse de una operación similar
a un evaporador de simple efecto con ∆T alto (∆T =
62°C), ya que opera a bajas temperaturas (60°C) y está
calefaccionado con vapor escape de 122°C.
De la exergía total suministrada al sistema CEC, un
84,1% corresponde a la exergía del vapor de calefacción, y
sólo un 9,6% a la exergía de motores (exergía eléctrica).
Aproximadamente un 71,8% (100% - 28,2%) de la exergía
suministrada se pierde por las irreversibilidades de los procesos.
Este es un hecho que el análisis convencional, realizado
con la 1° ley de la Termodinámica, no es capaz de detectar.
En la Figura 4 se muestra un gráfico de barras comparativo de las pérdidas de exergía en los diferentes sectores
del sistema CEC para el caso base y las propuestas
A y B. Sobre las barras se especifica la variación porcentual
de las pérdidas respecto al caso base.
Figura 4. Pérdidas de exergía en los diferentes sectores del CEC. Caso base ; propuesta A y propuesta B .
Las disminuciones de exergía perdida en el sistema CEC se traducen en un menor requerimiento de vapor de calefacción para esas operaciones, tal como se observa en la Tabla 3. La reducción porcentual de irreversibilidades en el sistema CEC de la propuesta A, 17,4% respecto al caso base, produce una disminución en el consumo de vapor de 15,4%; mientras que en la propuesta B, la reducción de pérdidas exergéticas alcanza al 31,9% respecto al caso base, y el vapor consumido disminuye en un 29,6%. La leve discrepancia entre estos porcentajes se debe a no haber considerado la pérdida de exergía por radiación al aumentar las superficies de intercambio de calor en las propuestas A y B.
Tabla 3. Pérdidas de exergía y consumo de vapor en los sistemas CEC del caso base y las propuestas A y B.
Diagramas de Grassman
En la Figura 5 se comparan en una misma escala los Diagramas de Grassman para el caso base y la propuesta B. Se observan claramente la disminución de exergía perdida (flechas negras) y la reducción del consumo de vapor escape (VE) necesario para calefaccionar las operaciones CEC, en la propuesta B respecto del caso base.
Figura 5. Diagramas de Grassman para el caso base y la propuesta B.
En la misma figura, en un diagrama de torta, se han
esquematizado las variaciones de exergía perdida (% respecto
al caso base) que han experimentado los diferentes sectores
del sistema CEC entre ambos esquemas: calentamiento
de JC: 6%; calentamiento de JE: -23%; evaporación: -50%;
condensador de evaporación: -61%; cristalización: -26% y
condensador de cristalización: -22%.
Estas reducciones de irreversibilidades en las diferentes
etapas de Calentamiento-Evaporación-
Cristalización han permitido que el sistema CEC de la propuesta
B reduzca sus pérdidas de exergía en un 31,9%
respecto del caso base.
CONCLUSIONES
- Los modelos matemáticos del software SIMCE 2.0,
empleado para realizar los balances de masa y energía
de sistemas CEC, resultaron adecuados para analizar
sistemas CEC de compleja configuración.
- La determinación de las pérdidas de exergía en los
diferentes sectores que componen el sistema CEC,
permitió descubrir en qué etapas se producían las
mayores pérdidas y proponer acciones tendientes a su
disminución. Este hecho no puede ser deducido a partir
de la 1° ley de la Termodinámica.
- Las menores eficiencias exergéticas se producen en el
condensador barométrico de cristalización, seguido por
el condensador barométrico de evaporación y por el
sector de cristalización.
- Se observan altas pérdidas de exergía en el sector de
cristalización (cocimientos), en el sistema de evaporación
en conjunto, en el calentamiento global de jugo
encalado y en los condensadores barométricos.
- Los condensadores barométricos de evaporación y
cristalización presentan una baja eficiencia exergética
(≅ 30%), la que se mantiene constante en las propuestas
analizadas, lo que indica que se pierde alrededor
del 70% de la exergía que entra a los mismos. En las
propuestas A y B se logra disminuir las pérdidas de
exergía en el condensador, mediante la reducción del
flujo de vapor que llega al mismo, con lo que disminuyen
también el caudal de agua de ingreso y la potencia
requerida por la bomba; lo que equivale a reducir la
exergía de entrada al condensador.
- Al analizar el sistema CEC en conjunto se observan
importantes disminuciones de exergía perdida en la
propuesta A: 17,4% respecto del caso base, y 31,9%
en la propuesta B; lo mismo sucede con la eficiencia
exergética del sistema CEC, que crece 18,8% en la
propuesta A y 44,7% en la propuesta B, respecto del
caso base.
- Las disminuciones de exergía perdida en el sistema
CEC se traducen en un menor requerimiento de vapor
de calefacción para esas operaciones. La reducción
porcentual de irreversibilidades en el sistema CEC de
la propuesta A, 17,4% respecto al caso base, produce
una disminución en el consumo de vapor de 15,4%;
mientras que en la propuesta B, la reducción de pérdidas
exergéticas alcanza al 31,9% respecto al caso
base, y el vapor consumido disminuye en un 29,6%. La
leve discrepancia entre estos porcentajes se debe a no
haber considerado la pérdida de exergía por radiación
al aumentar las superficies de intercambio de calor en
las propuestas A y B.
- El consumo de vapor en CEC se reduce en igual proporción
que la exergía perdida total en el sistema, y por
consiguiente en el caso extremo ideal de proceso
reversible (infinitos efectos con ∆T tendientes a 0),
tanto la exergía perdida como el consumo de vapor tenderían
a cero. La reducción de pérdidas de exergía en
las propuestas A y B permite eliminar el combustible
adicional en calderas bagaceras de tecnología antigua,
como las de este ingenio, y además contar con un
sobrante de bagazo (o su equivalente en gas natural,
A: 1% Caña; B: 1,8% Caña), para otros fines.
- Para lograr reducciones en las pérdidas de exergía de
sistemas CEC, es necesario efectuar inversiones de
capital que, en los casos analizados, consisten en
aumentar las superficies de intercambio de calor y
reemplazar equipos ineficientes, hechos que no
aumentan la capacidad de la instalación, pues se
seguirá realizando el mismo trabajo, sino que solamente
ahorran exergía y por consiguiente energía valiosa.
- El sistema CEC en operación en este ingenio en la zafra
2001-2002 puede ser mejorado exergéticamente
mediante: aumento del número de efectos de evaporación,
empleo de vapores vegetales de todos los cuerpos
de evaporación para calentamiento de jugo, aumento en
la concentración de melado y calefacción del sector de
cocimientos con vapores vegetales del 1° efecto.
- La sustitución de turbinas de vapor por motores oleohidráulicos
para el accionamiento de molinos es una
alternativa novedosa, de reciente empleo en la industria
azucarera de caña y aún sin aplicaciones concretas
en los ingenios de Tucumán.
BIBLIOGRAFÍA CITADA
1. Anaya, A. y R. Rivero. 1988. Aplicación del análisis exérgico
para la optimización del uso de la energía en
plantas industriales. Ingeniería Química 11: 11-18.
2. Baloh, T. and E. Wittwer. 1995. Energy manual for sugar
factories. 2. ed. Bartens, Berlin, Alemania.
3. Brodyanskii, V. M. 1973. Exergy method of thermodynamic
analysis. Energiya, Moscú, Rusia (2): 10-14.
4. Fernández P., M. I. e S. A. Nebra. 2001. Comparaçao do
desempenho do processo de evaporaçao a través de
uma análises de custo exergético. En: Actas del
Congresso Brasileiro de Engenharia Mecánica
COBEM 2001, Brasil, pp. 10-14.
5. Golato, M. A. y D. Paz. 2004. Posibilidad de utilización de
motores oleohidráulicos en fábricas de azúcar de
caña. Avance Agroind. 25 (3): 41-44.
6. Guallar, J. 1987. Análisis exergético e integración térmica
de procesos en la industria azucarera. Tesis doctoral
inédita. Facultad de Ciencias de la Universidad de
Zaragoza, España.
7. Kotas, T. J. 1985. The exergy method of thermal plant
analysis. Butterworths, London, England.
8. López, A. O.; D. Paz; O. A. Diez y G. J. Cárdenas. 2000. SIMCE 2.0: nuevo software para el análisis de sistemas
de calentamiento, evaporación y cocimientos de
la industria azucarera. Rev. Ind. y Agríc. de Tucumán
77 (1): 89-98.
9. Paz, D. y G. J. Cárdenas. 1997. Análisis exergético de un
sistema de calentamiento-evaporación-cocimiento en
la industria azucarera de caña. International Sugar
Journal 99 (1182): 263-268, 317-320.
10. Rant, Z. 1956. Exergie, ein neues Wort für "technische
Arbeitsfähigkeit"= Exergy, a new word for "technical work
capacity". Forsch. Gebiete Ingenieurwes (2): 67-71.
11. Rivero, R. 1994. El análisis de exergía. Revista del
Instituto Mexicano de Ingenieros Químicos (IMIQ)
(11): 14-27.
12. Tsatsaronis, G. 1984. Combination of exergetic and economic
analysis in energy conservation processes. In: Proc.
of the European Congress on Economics and
Management of Energy in Industry, 8, Lisboa,
Portugal, pp. 55-58.
13. Valero, A.; M. A. Lozano and M. Muñoz. 1986. A general
theory of exergy saving. I: On the exergetic cost. II:
On the thermoeconomic cost. III: Energy saving and
Thermoeconomics. ASME Book, W.A.M. (2-3): 15-
26.
14. Vallejo, E. 1982. El concepto de exergía y su aplicación a
la industria azucarera. Boletín EEAOC (137).